Очень часто в радиоэлектронике упоминаются такие термины как: "импеданс", "волновое сопротивление", "линия передачи", "микрополосок" и тд. Всё это у начинающих вызывает психологический шок и непонимание. В этой статье попробуем разобраться что это всё значит, и как это делать самому.
Теория
Линия передачи - это проводник (группа проводников) или некая система предназначенная для передачи электромагнитной энергии. Звучит сложно, но сейчас разберёмся: если с проводником понятно, что это кабель или дорожка на печатной плате, то что значит система? Под системами обычно подразумевают специальные устройства - волноводы, предназначенные для передачи радиоволн.
Все эти линии передачи характеризуются волновым сопротивлением.
Волновое сопротивление (импеданс) - характеристика среды распространения электромагнитной энергии. Чем-то оно схоже с показателем преломления среды из оптики. Исходя из той же оптики, при переходе света из одной среды в другую, на границе раздела сред происходит частичное отражение световой волны. Аналогично происходит и с электромагнитной волной, проходящей по двум проводникам с разным волновым сопротивлением. Поэтому в радиотехнике очень тщательно относятся к построению линей передач, и чем частота выше, тем сложнее обеспечить требуемое волновое сопротивление, так как всё больше паразитных явлений будет влиять на конечный результат.
Просто так измерить волновое сопротивление не получится - для этого нужны специальные приборы, обычно сейчас для этих целей используются векторные анализаторы цепей. Самым дешёвым вариантом, доступным для радиолюбителей, является прибор NanoVNA.
Есть и разновидность до 3 ГГц. Правда цена уже явно не для начинающего.
Для измерения уровня согласования (насколько хорошо источник сигнала и нагрузка) обычно используют приборы попроще: КСВ-метры.
КСВ (коэффициент стоячей волны) - отражает расхождение сопротивления нагрузки и источника. Минимальное значение равно "1" - это идеальное согласование, любые значения выше "1" - это рассогласование. Обычно допустимой величиной считают значения меньше "2", если же источник сигнала антенна, а нагрузка - вход приёмника, то можно и до "4". Можно рассчитать как отношение сопротивлений источника и нагрузки: КСВ = Zи / Zн, если Zи > Zн; или КСВ = Zн / Zи, если Zн > Zи.
Откуда же оно берётся?
Так мы немного определились, что волновое сопротивление - это характеристика линии передачи, и что его можно померить с помощью специальных приборов, или оценить степень согласования между двумя линиями передачи с помощью КСВ метра. Но откуда же берётся это сопротивление?
А оказывается всё просто - из тех же паразитных явлений, что и всё в этом мире. Любой проводник обладает сопротивлением потерь (его сопротивление), а также индуктивностью и ёмкостью. Причём все эти параметры в нём распределены по всей длине примерно равномерно. Так вот, волновое сопротивление - это есть влияние последних двух составляющих: паразитных ёмкости и индуктивности, которые равномерно распределены по кабелю. Причём, если взять условную бесконечную катушку коаксиального кабеля сопротивлением 50 Ом, то если подключить к центральной жиле и экрану омметр (при этом кабель на концах разомкнут и к нему ничего кроме омметра не подключено), то он и покажет наши заветные 50 Ом.
Поэтому влияние волнового сопротивления на низких частотах (от 100 кГц ) имеет смысл учитывать только для радиопередатчиков. А реальное влияние возникает с частоты в 300 МГц, ну и при достаточно больших длинах линии. Ну а реальный хардкор начинается с 2 ГГц, там уже даже небольшая дорожка на плате - линия передачи.
Как с этим жить?
Для построения электронных устройств, имеющих в своей конструкции высокочастотные радиотракты, нужно уметь рассчитывать такие узлы (уметь пользоваться готовыми калькуляторами) и конструировать их на практике. В целом до 6 ГГц это не вызовет особых проблем, если соблюдать некоторые простые правила. В этой статье речь пойдёт в основном о печатных платах, как о самом распространённом случае.
Немного о материалах
В СВЧ технике довольно часто используются довольно специфические материалы печатных плат и диэлектриков коаксиальных кабелей. К примеру для печатных плат используется такая штука как "Rogers".
Такие штуки используются на частотах свыше 10 ГГц, а также в СВЧ фильтрах, так как имеют очень стабильные параметры, а также низкие потери на высоких частотах. (Но стоят они как чугунный мост).
В случае любительской, и не очень практики, такие материалы крайняя редкость, и чаще всего используется обычный фольгированный стеклотекстолит типа FR-4.
В целом на нём можно жить в плоть до 10 ГГц, если характеристики устройства не заявляют на какую-то там сверх точность и высокую чувствительность. А на практике его используют спокойно до 6 ГГц и строят радиотракты для новых стандартов Wi-Fi и прочего. Самая главная характеристика для проектирования линий передачи - это диэлектрическая проницаемость и у FR-4 с этим всё очень широко - диэлектрическая проницаемость варьируется от 4.0 до 5.0. Поэтому СВЧ фильтры на FR-4 сразу идут мимо. А если очень надо, то обычно их изготавливают на "Rogers", а потом впаивают в плату на FR-4, чтобы значительно удешевить конечное изделие.
Ну и конечно для построения линий передачи потребуется как минимум двусторонний текстолит, чтобы можно было образовать коаксиальный проводник (точнее его плоское подобие).
Немного об S-параметрах
Раз дело зашло о конструировании линий передач, то полученный результат надо как-то измерять. КСВ - штука вроде понятная и удобная, но на практике обычно оперируют S-параметрами. Связано это с тем, что обычно результат измеряется с помощью векторного анализатора цепей, а он возвращает S-параметры того, что намерили.
S-параметры - это один из множества видов параметров многополюсников. Через S-параметры выражается прохождение мощности через многополюсник. Представляют собой матрицу, размер которой определяется количеством портов многополюсника. На практике - это обычно однополюсник (антенна, либо другая нагрузка), либо двуполюсник (линия передачи, фильтр и тд.).
Есть конечно и трёхполюсники и четырёхполюсники, но это уже ближе к теории цепей, а мы же познаём самые основы ВЧ техники и пытаемся сделать дорожку в 50 Ом на плате.
Сама тема с многополюсниками - это математический инструмент, который позволяет заменить любую электрическую цепь, на некий чёрный ящик с известными параметрами. Нужно это для упрощения расчётов, чтобы не вдаваться в конкретные частные случаи.
Исходя из картинки выше, для двухполюсника существует всего 4 параметра (матрциа 2x2):
- S11 - Коэффициент отражения мощности в порту 1;
- S12 - Коэффициент передачи мощности из порта 1 в порт 2;
- S22 - Коэффициент отражения мощности в порту 2;
- S21 - Коэффициент передачи мощности из порта 2 в порт 1.
Забавный факт: даже в относительно симметричной системе, аналогичные параметры для портов будут разные, к примреу S12 и S21 в области СВЧ могут довольно значительно различаться из-за не совсем однородного распределения паразитных влияний, а также не из-за совсем симметричного расположения элементов на плате.
Обычно S-параметры измеряются в дБ. Поэтому запомним пару моментов:
- S11 и S22 - должны быть как можно меньше, обычно достаточно меньше, чем -15 дБ.
- S12 и S22 - должны быть как можно ближе к 0 дБ.
Виды линий передач на печатных платах
Микрополосковая линия передачи
Самой простой линией передачи является дорожка на одной стороне платы, которая с противоположной стороны экранирована медным полигоном - это называется микрополосок.
Данная конструкция чем-то напоминает коаксиальный кабель в разрезе. И работает схожим образом.
Для FR-4 с толщиной диэлектрика (h) 1,5 мм ширина (W) дорожки из меди 35 мкм (t) для микрополоска 50 Ом примерно составляет 2,7 - 2,8 мм. Довольно толсто.
Также существует дифференциальная версия микрополосковой линии: два микрополоска проходят рядом друг с другом, образуя диффернциальную линию передачи. Такие используются в Ethernet, USB, PCIe и других высокоскоростных интерфейсах.
Копланарная линия
Если микрополосок ещё экранировать и сверху, то получим копланарную линию передачи. Это самый распространённый вид, так как такой подход позволяет значительно снизить ширину дорожки, а также в целом улучшить характеристики линии передачи.
Правда есть у такого подхода и недостаток: необходимо хорошо соединить верх и низ, для этого нужно делать много переходных отверстий, что усложняет техпроцесс.
Для FR-4 с толщиной диэлектрика (H) 1,5 мм одним из вариантов реализации 50 Ом линии является линия шириной (W) 1,2 мм и зазором (S) 0,25 мм при толщине меди (T) 35 мкм
По аналогии с микрополосками существуют и дифференциальные версии копланарных линий.
Где считать?
Онлайн калькуляторы
Самым простым решением является использование онлайн-калькуляторов, их можно найти у популярных производителей печатных плат. Вот пара примеров:
Преимущества таких инструментов очевидны: они делаются производителями, соответственно используются максимально близкие параметры материалов. Они просты в использовании. Не требуют скачивания.
Недостатки тоже понятны - необходимость подключения к интернету, а также сомнительная точность некоторых экземпляров.
Специальные программы-калькуляторы
В крутых САПР типа Altium Designer, KiCAD, OrCAD и прочих уже есть встроенные калькуляторы, у особо профессиональных программ они достаточно точны и с помощью них можно получить очень точный результат.
Ещё существует довольно универсальный калькулятор - Saturn PCB. Точность у него, правда, местами хромает. Скачать напрямую без VPN его не получится, но есть множество сайтов-зеркал.
Электромагнитные симуляторы
К примеру, CST Studio. Очень крутая программа, лицензия которой стоит много вечнозелёных. Благо мы живём в России и трофейную версию можно найти на Рутрекере. Программа позволяет много чего моделировать, а моделирование печатных плат - это всего одна из задач. Будет крайне полезна для профессиональных проектов, так как можно получить максимально реалистичный результат моделирования без особых сложностей.
Правда за такую точность придётся платить и не только деньгами (в случаи лицензии конечно): занимает данное ПО порядка 20 - 30 ГБ на диске, а также требует довольно мощный компьютер, чтобы рассчитывать все электромагнитные процессы.
Конечно начинающим в области ВЧ это вряд ли нужно, но знать полезно.
Пара слов про соединения линии и деталей
Хорошо, когда детали большие и ножка напрямую соединяется с дорожкой, а что делать когда у нас SMD пипка 5x5 мм с кучкой ножек шириной 0,3 мм, а надо подключить дорожку шириной 3 мм? Как быть?
Ответ прост: переходы. Обычно это трапецеидальные фигуры, которые обеспечивают плавный и быстрый переход от дорожки 0,3 до 3 мм. Сам этот переход должен быть максимально коротким, чтобы нужная ширина сохранялась как можно дольше.
На буржуйском этот термин называется "Teardrop", что означает слеза. А если на русском - то каплевидность. Помимо СВЧ оно используется для подключения тонких дорожек к широким площадкам для повышения механической прочности соединения.
Название получили из-за формы, так как помимо трапецеидальной формы, такие штуки изготавливают в форме капли.
Несколько советов по проектированию платы с линиями передачи
Ну если ваш проект так или иначе требует построить линию передачи: Wi-Fi, GPS, LoRa, Bluetooth и прочие приколы, а вы до этого подключали только ардуинку, то эти советы для вас:
- Линия передачи должна быть максимально короткой. Желательно проект начинать именно с неё. Линия передачи считается короткой, если её длина сильно меньше четверти длины волны того сигнала, что по ней идёт. Для Wi-Fi 2,4 ГГц четверть длины волны - это примерно 3 см, то есть дорожка длиной в 1 см, даже если не попадёт в необходимое волновое сопротивление, особой погоды в результат не внесёт.
- Линия передачи не должна иметь резких переходов, поворотов и разрывов, как со стороны проводника, так и со стороны экрана. То есть земляной полигон под линией передачи должен быть без разрывов.
- Никаких лишних земляных полигонов и металлических экранов рядом с линией передачи и антеннами быть не должно. Всё должно быть учтено и посчитано. Особенно это касается частот свыше 3 ГГц.
- Проходные элементы нужно подбирать под ширину линии передачи, чтобы опять же избежать лишних переходов в ширине дорожки.
- Если нужно делать копланарную линию, то нужно ставить много переходных отверстий для получения хорошей связи между полигонами земли на верхнем и нижнем слоях.
Если стоит задача подключить Wi-Fi антенну через разъём к ESP32, то самой выгодной стратегией является разместить эти детали как можно ближе друг к другу. Ширину дорожки нужно выбрать исходя из калькулятора и типа линии передачи. В конце нужно аккуратно провести эту линию, расставить переходные отверстия, если это копланар. И больше эту область не трогать.