Estrategias para el diseño de la diafonía entre dos líneas microstrip paralelas en PCB basadas en el análisis de simulación

Teoría de la diafonía

Según la teoría electromagnética, la diafonía se refiere al desacoplamiento electromagnético entre dos líneas de señal. Es un tipo de ruido causado por la capacidad mutua y la impedancia mutua entre líneas de señal.

En la Figura 1, entre las dos líneas paralelas, una línea tiene la fuente de señal (V_S) e impedancia interna (Z_OG) en un extremo de la línea e impedancia de carga (Z_LG) en el otro, formando un lazo cerrado a través de tierra. La otra línea solo tiene resistencia (Zy Z_LR) con una estructura de un solo conductor a tierra. En esta figura, el conductor con la fuente de señal se denomina línea de emisión o línea de interferencia, mientras que la otra línea se denomina línea de recepción o línea interferida.

Cuando la señal de excitación (1) pasa por la línea de emisión, se generará una señal de interferencia con direcciones contrarias como resultado de la capacitancia parasitaria entre la línea de emisión y la línea de recepción. Al mismo tiempo, al pasar por la línea de emisión, la señal de excitación generará un campo magnético variable que induce una corriente de interferencia con una dirección contraria a la señal de excitación después de cruzar la línea de recepción. Las corrientes de interferencia (2) y (3) son señales de diafonía desacopladas desde la línea de emisión hacia la línea de recepción por la señal de excitación. Así es como se genera la diafonía.

La diafonía puede clasificarse en diafonía capacitiva y diafonía inductiva según sus diferentes causas. La diafonía capacitiva se refiere al voltaje desacoplado generado por la capacitancia de desacoplo mutuo, mientras que la diafonía inductiva se refiere a la corriente desacoplada generada por la inductancia de desacoplo mutuo.

Según los lugares donde se produce la diafonía, esta puede clasificarse en diafonía de extremo cercano y diafonía de extremo lejano. En la Figura 1, la diafonía de extremo cercano es la señal de interferencia generada por la señal de excitación (1) en el extremo cercano de la línea receptora, sumando la diafonía capacitiva (3) y la diafonía inductiva (2). La diafonía de extremo lejano es la señal de interferencia generada por la señal de excitación (1) en el extremo lejano de la línea receptora, sumando de forma inversa la diafonía capacitiva (3) y la diafonía inductiva (2).

La diafonía se genera entre dos conductores debido al desacoplamiento electromagnético. El análisis de la diafonía consiste en calcular el voltaje de interferencia desde la inductancia de la señal de excitación hacia ambos lados de la línea receptora con la señal de excitación proporcionada. V_R(0) se establece como el voltaje de interferencia en la línea receptora cuando X es igual a 0 mientras que V_R(L) es la tensión de interferencia en la línea receptora cuando X es igual a L. Entonces se pueden obtener dos fórmulas:

El modelo de simulación del análisis de diafonía entre dos líneas microstrip paralelas

En este artículo, la placa de circuito impreso utilizada en el modelo de simulación tiene un tamaño de 20x60 mm (ancho x largo) con fibra de vidrio laminada en epoxi FR-4 como material de sustrato, cuyo constante dieléctrica es 4,7. La Figura 2 muestra la vista seccional del modelo de simulación.

En la Figura 2, la capa superior es el plano de cableado (plano de línea microcinta), mientras que la capa inferior es el plano de imagen. La línea microcinta es un conductor ideal, mientras que el plano de imagen es un plano conductor ideal. Los parámetros de dos líneas microcinta paralelas pueden establecerse como:L=40mm,W=0,5 mm,H=0,3 mm. Según la fórmula de la impedancia característica de la línea microstrip (), la impedancia característica de la línea microstrip es de 50 Ω.

Nota: 0,38 mm

En la Figura 3, el primer puerto (P1) de la línea de emisión es el puerto de la fuente de interferencia. Cada puerto de la línea de emisión y de la línea de recepción está conectado mediante la impedancia característica (50 Ω), por lo que la señal de diafonía será absorbida cuando llegue al extremo cercano y al extremo lejano de la línea de recepción y no regresará para influir en la diafonía. Como resultado, dos microcintas forman una red de 4 puertos cuyos parámetros S13 y S14 pueden calcularse respectivamente:,.

TR₀se refiere a la diafonía de la línea de emisión hacia el extremo cercano de la línea de recepción durante TR_Lse refiere a la diafonía de la línea de emisión hacia el extremo lejano de la línea de recepción.

Resultado y discusión de la simulación

• Intensidad de diafonía con el cambio de frecuencia

Las señales ordinarias son el resultado de la suma de ondas sinusoidales con diferentes frecuencias y amplitudes, por lo que es significativo estudiar cómo cambia la diafonía de dos microtiras con la frecuencia de una sola onda sinusoidal.

Para reflejar mejor las reglas, la Figura 4 se obtiene con la distancia de cableado( D )con valores de 1 mm y 3 mm, mostrando cómo cambia la diafonía con la frecuencia.

Se puede concluir que, en el rango de baja frecuencia, la intensidad de la diafonía tiene una relación lineal con la frecuencia de la señal, tanto para la diafonía de extremo lejano como para la diafonía de extremo cercano. En el rango de alta frecuencia, la diafonía de extremo cercano (S₁₃) muestra una fuerte vibración periódica con el aumento de la frecuencia, mientras que la diafonía de extremo lejano se comporta de manera contraria. Esto depende principalmente de las diferentes distancias entre la diafonía capacitiva y el extremo cercano/lejano, y entre la diafonía inductiva y el extremo cercano/lejano. En el rango de baja frecuencia, las fases son en su mayoría las mismas para estos dos tipos de diafonía y puertos, y las fases relativas de la señal integrada tienen poca influencia en la magnitud. Sin embargo, en el rango de alta frecuencia, a diferentes frecuencias, las fases presentan grandes diferencias entre estos dos tipos de señales de diafonía y los puertos, momento en el cual la magnitud de la señal de interferencia integrada de estos dos tipos cambiará periódicamente con el cambio de fase, lo que conduce a una vibración periódica evidente de la magnitud en función de la frecuencia.

• Intensidad de diafonía con el cambio de la distancia de cableado

Cuando la distancia del cableado(L)es de 40 mm, espesor del sustrato(H)0,3 mm y frecuencia de señal de 2 GHz y 5 GHz, el resultado de la simulación de la intensidad de diafonía con el cambio de la distancia de cableado se muestra en la Figura 5.

En esta figura, tanto la diafonía de extremo cercano como la de extremo lejano disminuyen a medida que la distancia de cableado aumenta. Cuando la distancia de cableado comienza a incrementarse desde 1 mm, la diafonía disminuye rápidamente, pero con el aumento de la distancia, la disminución de la diafonía se vuelve lenta. Obviamente, cuando la distancia es mayor que tres veces el ancho, la diafonía entre líneas no puede mejorarse ampliando la distancia entre ellas. Esto se debe a que, cuando dos microtiras se acercan demasiado, tanto la capacitancia mutua como la inductancia se vuelven tan prominentes que la diafonía aumenta sustancialmente.

• Intensidad de diafonía con el cambio de la longitud del cableado

Cuando la distancia del cableado(D)es de 2,0 mm, espesor del sustrato(H)0,3 mm y frecuencia de señal de 1 GHz y 5 GHz, el resultado simulado de la intensidad de diafonía con el cambio de longitud se muestra en la Figura 6.

Según la Figura 6, cuando la frecuencia de la señal es de 1 GHz, la intensidad tanto de la diafonía de extremo cercano como de la diafonía de extremo lejano aumenta con la extensión de la longitud paralela. Cuando la frecuencia de la señal alcanza los 5 GHz, la intensidad de la diafonía de extremo cercano aumenta con la extensión de la longitud paralela y la intensidad de la diafonía de extremo lejano oscila con la extensión de la longitud paralela. Esto se debe a que la longitud eléctrica del cableado es mayor a la frecuencia de 5 GHz que a la frecuencia de 1 GHz y las fases de la diafonía capacitiva y de la diafonía inductiva son sustancialmente diferentes en el puerto de extremo lejano.

• Intensidad de diafonía con el cambio de la distancia entre la línea microcinta y el plano de imagen

Para mantener la impedancia característica de la línea microstrip en 50 Ω, el valor deA/Hdebe mantenerse en 1,82. Por lo tanto, en el modelo de simulación, la relación entre el ancho de la línea y la altura del plano de imagen también se mantiene en 1,82.

a. Cuando la longitud del cableado(izquierda)es de 40 mm, la distancia entre las dos líneas y sus bordes es de 1,0 mm y la frecuencia de la señal es de 2 GHz y 5 GHz, la intensidad de diafonía con el cambio del grosor del plano de imagen se muestra en la Figura 7.

Según la Figura 7, la intensidad de diafonía aumenta con la extensión de la distancia, especialmente cuando la distancia se encuentra en el rango de 0 a 0,4 mm, la intensidad de diafonía aumenta tan rápidamente y la velocidad tiende a desacelerarse con la extensión continua de la altura. CuandoHes mayor que 0,5 mm, la intensidad de diafonía básicamente se mantiene constante. Esto se debe a que, cuando la microcinta está demasiado cerca del plano de imagen, el desacoplo entre el cableado y el plano de imagen se vuelve tan fuerte mientras que el desacoplo entre los cableados es muy pequeño. Cuando aumenta la distancia entre la microcinta y el plano de imagen, el desacoplo entre el cableado y el plano de imagen se debilita mientras que el desacoplo entre los cableados aumenta. Sin embargo, con el incremento de la distancia entre la microcinta y el plano de imagen, el desacoplo entre el cableado y el plano de imagen se ha vuelto tan débil que tiene poca influencia sobre el desacoplo entre los cableados. Basado en el análisis anterior, la distancia entre la línea de transmisión y el plano de imagen debe reducirse tanto como sea posible para disminuir mejor la diafonía.

b. Cuando la longitud del cableado(izquierda)es de 40 mm, la distancia entre líneas es el doble del ancho de línea y la frecuencia de la señal es de 2 GHz y 5 GHz; la intensidad de diafonía con el cambio del espesor del plano de imagen se muestra en la Figura 8.

Según la Figura 8, la intensidad de diafonía cambia poco con la distancia entre dos líneas múltipla del ancho de la línea.

Basado en la comparación entre las dos circunstancias, se puede concluir que, con el aumento de la distancia entre la línea microstrip y el plano de imagen, si la distancia entre las líneas permanece sin cambios, la intensidad de la diafonía se verá amplificada y, si la distancia es un múltiplo estable del ancho de la línea, la intensidad de la diafonía casi no cambia.

Estrategias de diseño de PCB

De acuerdo con el resultado del análisis anterior, a continuación se presentan algunas estrategias para reducir la diafonía entre las líneas de transmisión:
a. ParaPCB digitales de alta velocidadse deben seleccionar componentes cuya velocidad de flanco de subida y de bajada del reloj sea relativamente lenta para que se pueda reducir la frecuencia de la señal.
b. Se debe evitar la disposición paralela de larga distancia.
c. La distancia entre dos líneas debe ampliarse.
d.Diseño de PCB multicapadebe utilizarse de modo que se pueda reducir la altura entre la línea de transmisión y el plano de imagen. Si se tienen que usar PCB con un plano de imagen más alto, se debe aumentar la distancia entre las líneas de transmisión.

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