Eine gute Kanalisolation ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Beamformer-ICs (BFICs). Die Verstärkungseinstellungen zwischen den Kanälen in Phased-Array-Anwendungen können erheblich variieren, um die gewünschte Reduzierung und Dämpfung der Nebenkeulen zu erreichen (eine Differenz von 30 dB ist nicht ungewöhnlich). Wie in Teil 1, verfügen moderne BFICs typischerweise über mehrere parallele On-Chip-HF-Pfade, die zu Pins an derselben Kante und/oder Ecke des IC-Gehäuses führen, wobei sich oft alle Eingänge (oder Ausgänge) ebenfalls an derselben Kante befinden. Die Herausforderung besteht daher darin, die zahlreichen HF-Leitungen zu und von diesen eng beieinander liegenden Pins auf den Leiterplatten (PCBs) zu führen und dabei eine ausreichende Isolation zwischen den Leitungen zu gewährleisten.
Der zweite Teil dieser Artikelserie analysiert, wie sich die Isolation zwischen den Übertragungsleitungen auf die BFIC-Leistung auswirkt, gibt allgemeine Richtlinien für die Auswahl der optimalen Übertragungsleitungstopologie basierend auf den Isolationsanforderungen der Anwendung und der BFIC-Geometrie und erläutert die beste Methode zur Verteilung eng beieinander liegender Übertragungsleitungen in der Nähe des BFIC. In diesem Artikel werden die Maße hauptsächlich in Tausendstel Zoll angegeben (1000 Tausendstel Zoll entsprechen 1 Zoll). Um von Tausendstel Zoll in Millimeter umzurechnen, multiplizieren Sie mit 0,0254.

Isolation: Übertragungsleitung zu Übertragungsleitung.
Auf jeder Leiterplatte weisen zwei benachbarte Übertragungsleitungen eine gewisse Kopplung auf, entweder elektrisch und/oder durch elektrische und magnetische (EM) Felder, was zu einer nicht unendlichen Isolation führt. Die Isolationsleistung der in Teil 1 beschriebenen Leitungstopologien unterscheidet sich deutlich. Die Topologie-Leitungsführung bietet aufgrund der Feldkopplung typischerweise eine schlechtere Isolation als vergrabene Leitungen. Neben der gewählten Leitungstopologie sind die Betriebsfrequenz, der Leitungsabstand und die parallele Leitungsführungsdistanz die dominierenden Faktoren für die Isolation. Bei Verwendung einer vergrabenen Topologie, wie z. B. einer Bandleitung, muss der Übergang zur Topologie sorgfältig ausgelegt werden, um eine gute Isolation zu gewährleisten.
Abbildung 1 zeigt eine Keysight RFPro EM-Simulation der Isolation in Abhängigkeit von der Frequenz für zwei Paare von Übertragungsleitungstopologien: geerdeter koplanarer Wellenleiter (GCPW) und vergrabener GCPW. Der Mittenabstand jedes Leitungspaares betrug 60 mil, die parallele Leitungsführungsdistanz 200 mil. Zur Einzäunung beidseitig jeder Leitung wurden 6-Mil-Erdungsleiter mit einem Mittenabstand von 25 Mil verwendet. GCPW (Ground-Controlled-Property-Wave) weist eine schlechtere simulierte Isolation auf als erdverlegtes GCPW. Daher ist eine erdverlegte Topologie eindeutig vorzuziehen, wenn eine optimale Isolation entscheidend ist.

Abbildung 1. Simulierte Isolierung von GCPW und vergrabenem GCPW.

GCPW vs. vergrabenes GCPW: Der Unterschied von 15 dB Isolation.
Eine unzureichende Isolation zwischen Übertragungsleitungen auf einer Leiterplatte (PCB) kann insbesondere in Anwendungen problematisch sein, bei denen große Unterschiede zwischen den Signalpegeln der jeweiligen Leiterbahnen bestehen. In einem Phased-Array-System verschlechtert die Streusignalkopplung die Linearität der VAP-Verstärkungsregelung auf dem stärker gedämpften Pfad, wenn zwei benachbarte VAP-Blöcke (Variable Amplitude and Phase) mit minimaler und maximaler Dämpfung arbeiten. Dieses Verhalten wurde beim ADAR3001, einem BFIC mit 4 Eingängen und 4 Ausgängen (ähnlich dem in Abbildung 1 von Teil 1 gezeigten), auf einer Leiterplatte mit GCPW-Übertragungsleitungen beobachtet. Die Leiterplatte wurde mit vergrabenem GCPW neu gestaltet, um die Isolation zwischen den Leitungen zu erhöhen.
Der RMS-Verstärkungsfehler ist eine abstrakte Kenngröße, die die Nichtlinearität der Verstärkungsregelung angibt. In diesem Fall wurde der RMS-Verstärkungsfehler auf beiden Versionen der Leiterplatte gemessen. Abbildung 2a zeigt den RMS-Verstärkungsfehler der ursprünglichen Leiterplatte mit GCPW, während Abbildung 2b den RMS-Verstärkungsfehler der neu gestalteten Leiterplatte mit vergrabenem GCPW darstellt. In Abbildung 2a ist der RMS-Verstärkungsfehler deutlich höher, wenn der gestufte digitale Dämpfungsregler (DSA) des VAP über seinen gesamten Bereich genutzt wird. Dies ist zu erwarten, da die Anwendung anfälliger für eine unzureichende Isolation ist, wenn die Differenz zwischen den DSA-Dämpfungen maximal ist.
Die verbesserte Leitungsisolation der vergrabenen GCPW-Platine reduzierte die RMS-Verstärkungsfehler signifikant, was mit den Simulationen übereinstimmt und die tatsächliche Leistung des BFIC widerspiegelt. Diese Ergebnisse zeigen, dass selbst eine moderate Verbesserung der Isolation um 15 dB bei 30 GHz die gemessene Leistung drastisch beeinflussen kann.

Abbildung 2. BFIC-RMS-Fehler auf einer Leiterplatte mit (a) GCPW-Leitungen im Vergleich zu einer Leiterplatte mit (b) vergrabenen GCPW-Leitungen.

Isolation zweier paralleler Leitungen
: Es wird allgemein angenommen, dass die Bandleitungstopologie die beste Isolation der genannten Topologien bietet. Um diese Annahme zu überprüfen, wurde eine Versuchsplatine gefertigt, um die mit einer Bandleitungstopologie erzielbare Frequenzisolation zu ermitteln. Auf Ebene 2 wurde ein 8 mil breites Bandleitungsdesign über 8 mil Rogers 4003C-Dielektrikum (Ebene 1 zu Ebene 2) und 8 mil Rogers 4450T-Dielektrikum (Ebene 2 zu Ebene 3) verwendet. Der Mittenabstand des Leitungspaares betrug 76 mil, die parallele Leitungslänge 300 mil. Diese Abstände wurden gewählt, um den durchschnittlichen Abstand zwischen den HF-Pins vieler BFICs und die anschließende Leitungslänge bis zum Austritt zu Koaxialsteckverbindern oder anderen Bauteilen annähernd zu simulieren. Jede Leitung besaß eine eigene Schienenführung mit 0,254 mm (10.000 Zoll) breiten Schienen und einem Achsabstand von 0,457 mm (18.000 Zoll). Abbildung 3a zeigt die Anordnung der Streifenleitung in Schicht 2 (die Masseflächen von Schicht 1 und Schicht 3, die die Streifenleitung beidseitig der Rogers-Dielektrika umschließen, sind nicht dargestellt). Die in Abbildung 3b gezeigte Isolationsmessung belegt eindeutig, dass eine durchgehende Streifenleitung mit schmaler Schienenführung optimale Leistung bietet und bei sehr hohen Isolationsanforderungen eingesetzt werden sollte.

Abbildung 3. Design einer experimentellen Platte mit Bandliniendesign (Schicht 2 ist dargestellt) und (b) die Ergebnisse der Plattenisolation.

Das Isolationsdiagramm zeigt Rauschen, da die Isolation der Leitungspaare an der Messgrenze des Vektornetzwerkanalysators (VNA) liegt. Die durchschnittliche Isolation über alle Frequenzen beträgt mehr als -80 dB. Der Isolationsabfall bei etwa 26 GHz ist auf den VNA zurückzuführen.

Isolation zweier paralleler Bandleitungen mit L1-zu-L2-Durchkontaktierungen.
Auf der gleichen Versuchsplatine wie im vorherigen Abschnitt wurde ein weiteres Bandleitungspaar mit denselben Eigenschaften (Leitungsgeometrie, Durchkontaktierungsplatzierung, Leitungsabstand und parallele Leiterbahnlänge) entworfen. Zusätzlich wurde jeder Leitung ein Paar Übergangsdurchkontaktierungen (oder aufeinanderfolgende Durchkontaktierungen von Schicht 1 zu Schicht 2) hinzugefügt, um die Verschlechterung der Isolation beim Übergang zur obersten Lage zu untersuchen (siehe linke Seite von Abbildung 4a). Die Leiterbahnführung der obersten Lage wurde mit einem Abstand von 0,35 mm (14 Tausendstel Zoll) zwischen den Durchkontaktierungsmitten kurz gehalten (siehe vergrößerte Darstellung rechts in Abbildung 4a).
Die Isolation dieser Bandleitungen mit Übergangsdurchkontaktierungen (Durchkontaktierungen von Schicht 1 zu Schicht 2) wurde gemessen und war im Vergleich zu den Leitungen ohne Übergangsdurchkontaktierungen verschlechtert (siehe Abbildung 4b). Dieses Experiment unterstreicht die Bedeutung der Isolationsqualität.

Abbildung 4. (a) Steckbrettaufbau mit vergrößerter (links) und verkleinerter (rechts) Ansicht zweier Bandleitungen mit aufeinanderfolgenden Übergangsdurchkontaktierungen und (b) gemessene Isolation des Steckbretts mit Übergangsdurchkontaktierungen.
Richtlinien für das Routing mehrerer HF-I/Os:
Viele integrierte Schaltungen, insbesondere HF-Beamformer, verfügen über eine hohe Anzahl von HF-I/Os, was das Routing und die Aufrechterhaltung einer guten HF-Performance erschwert. Neben der sorgfältigen Auswahl und dem Design der Übertragungsleitungstopologie ist eine ordnungsgemäße Erdung mittels Durchkontaktierungen bis zum Bauelement entscheidend für die Aufrechterhaltung der HF-Performance, insbesondere der Isolation.

Welche Übertragungsleitung verwenden?
Die Entscheidung für eine Übertragungsleitung hängt primär von den Isolationsanforderungen und der Geometrie des BFIC ab. Benötigt man beispielsweise eine Isolation von nur etwa -40 dB, kann eine GCPW-Leitung problemlos verwendet werden. Ist hingegen eine Isolation von etwa -65 dB erforderlich, ist eine Bandleitung notwendig. Anschließend muss die Geometrie des BFIC berücksichtigt werden, insbesondere die Größe der einzelnen Pins, der Pinabstand und der Abstand zwischen den HF-Pins. Wenn es sich beispielsweise bei dem BFIC um ein BGA mit einem Lötperlendurchmesser von 5,5 mil/0,22 mm, einem Pinabstand von 10 mil/0,4 mm und einem Abstand zwischen den nächstgelegenen HF-Pins von 30 mil/1,2 mm handelt und die Isolationsanforderung -65 dB oder höher beträgt, könnten die BFIC-Geometrien eine symmetrische Bandleitung mit folgenden ungefähren Abmessungen ermöglichen: 6 mil Leitungsbreite, 6 mil dielektrische Dicke (ober- und unterhalb der Leitung) und ein Abstand von 10 mil zur Masseseite, bei einer angenommenen Dielektrizitätskonstante von etwa drei. Generell gilt für Bandleitungen, dass der Abstand zur Masseseite etwa doppelt so groß wie die Leitungsbreite sein sollte; kleinere Abstände beeinflussen die Leitungsimpedanz. Kleinere Abstände zwischen den HF-Pins erfordern einen dünneren Draht, während größere Abstände einen dickeren Draht ermöglichen. Wie in Teil 1 erläutert, ist Letzteres vorzuziehen, da es die Wahrscheinlichkeit erhöht, 50 Ω während der Fertigung zu erreichen.

Leitungsführung in der Nähe des Bauelements:
Bei Verwendung einer Bandleitung ist beim Übergang zum Bauelementanschluss in der oberen Lage besondere Sorgfalt geboten, da dieser Übergang die Isolation erheblich beeinträchtigen kann, wenn keine geeigneten Erdungsdurchkontaktierungen verwendet werden. Um eine optimale Isolation zu erreichen, sollte die Erdungswand der Durchkontaktierungen, wie in Abbildung 5 dargestellt, um das Ende der Bandleitung am Übergang zum Bauelement herumgeführt werden. Dadurch wird die für eine optimale Isolation erforderliche kritische Erdungswand erweitert. Das Bauelement sollte außerdem Erdungsanschlüsse, -vorsprünge und/oder -pads um den Signalanschluss herum aufweisen, die annähernd mit den erweiterten Erdungswand-Durchkontaktierungen fluchten.

Abbildung 5. Durchkontaktierungen, die sich um die Übertragungsleitung am Bauelement erstrecken und zwischen den Leitungen zu einer einzelnen Durchkontaktierungsreihe führen. Bei
eng beieinander liegenden HF-I/O-Pins ist möglicherweise nicht genügend Fläche vorhanden, um für jede Übertragungsleitung den gleichen Durchkontaktierungsabstand zum Bauelement aufrechtzuerhalten. Abhängig von der verfügbaren Fläche bieten sich folgende Optionen für den Durchkontaktierungsabstand an:
1. Kleinere Durchkontaktierungen verwenden, sofern die vom Hersteller vorgegebenen Standards für das Seitenverhältnis der dielektrischen Dicke eingehalten werden.
2. Die Durchkontaktierungen in einem Sägezahnmuster anordnen, wenn ausreichend Fläche vorhanden ist und das Fehlen einer Durchkontaktierung auf einer der Leitungen an der Bauelementschnittstelle die Isolation nicht beeinträchtigt.
3. Wie in Abbildung 5 dargestellt, mit größeren Durchkontaktierungen zu einer einzelnen Durchkontaktierungsreihe zwischen den Leitungen führen und dabei den gleichen Abstand zwischen den Rändern der Durchkontaktierungen wie bei den kleineren Durchkontaktierungen beibehalten; dadurch wird die Isolationsleistung erhalten.
4. Bei sehr geringem Abstand zwischen den Leitungen mit gleich großen Durchkontaktierungen zu einer einzelnen Durchkontaktierungsreihe zwischen den Leitungen führen.
Die Entscheidung, wann und wie ein Fanout durchgeführt wird, hängt maßgeblich von der Position der HF-I/O-Pins relativ zueinander auf dem Bauelement ab.
Grundsätzlich sollte die Verzweigung so früh wie möglich erfolgen, um parallele Leitungsführungen zu minimieren und somit eine optimale Isolation zu gewährleisten. Wie in Abbildung 5 dargestellt, kann die Verzweigung aufgrund der relativen Positionen der dargestellten (und nicht dargestellten) HF-I/O-Pins sofort durchgeführt werden. Abbildung 6 zeigt jedoch die Verzweigung eines 2-Kanal-Geräts mit 8 Ausgängen, bei dem jeder Kanal einen 1:4-Schalter als Ausgangsstufe besitzt, der vier Sendeleitungen mit unterschiedlichen parallelen Leitungslängen ansteuert. In diesem Fall wurde die Verzweigung zusätzlich durch die nicht-HF-I/O-Leitungsführung und die zugehörige Schaltung auf der Nord- und Südseite des Geräts begrenzt, wodurch die Verlegung der acht Sendeleitungen eingeschränkt war.

Abbildung 6. Aufteilung der acht HF-Ausgangsanschlüsse eines 2-Kanal-Geräts.

Fazit:
Die Einführung von Hochfrequenz-Mehrkanal-Beamformern und anderen integrierten HF-Schaltungen macht das Leiterplattendesign komplexer, sowohl hinsichtlich der Genauigkeit der Übertragungsleitungen und der Übergänge (siehe Teil 1) als auch hinsichtlich der Aufrechterhaltung der hohen Kanaltrennung, die für die Leistungsfähigkeit der Bauelemente notwendig ist (siehe Teil 2). HF-Übertragungsleitungen unterliegen einem erzwungenen Wandel von oberflächengeerdeten koplanaren Wellenleitern hin zu vergrabenen Bandleitungen. Doch auch bei vergrabenen Bandleitungen muss die Trennung benachbarter Leiterbahnen durch eng beieinander liegende Durchkontaktierungen gewährleistet werden, die die Anschlüsse der Bauelemente vollständig umschließen. Darüber hinaus trägt die schnelle Dispersion eng beieinander liegender Leiterbahnen vom Bauelement weg, die einen Abstand zwischen den Leiterbahnen erzeugt, zur Aufrechterhaltung einer hohen Trennung bei.

Über den Autor:
Joel Dobler ist Senior Product Applications Engineer in der Aerospace, Defense, and Communications Group. Sein Schwerpunkt liegt auf Beamforming-Produkten, er betreut aber auch Vektormodulatoren und programmierbare Tiefpassfilter. Seit 2006 arbeitet er für Analog Devices und unterstützt dort ein breites Spektrum an HF-Produkten, darunter logarithmische und RMS-Detektoren, digitale und analoge Verstärker mit variabler Verstärkung, Mischer und I/Q-Demodulatoren. Er erwarb 2005 seinen Bachelor of Science in Elektrotechnik an der Washington State University und 2006 seinen Master of Science in Elektrotechnik an der Portland State University.