O que há de errado com meu guia de ondas coplanar aterrado de 50 Ω?

Eu tenho trabalhado em um design de 4 camadas construído em torno do SoC EFR32BG13 Bluetooth Low Energy. Ao tentar medir a impedância da antena para construir um circuito correspondente, descobri que minha linha de transmissão de guia de onda coplanar de aterramento curto (GCPW) estava agindo mais como uma antena do que como uma linha de transmissão.

Para limitar a causa do problema, construí uma placa de teste de linha de transmissão simples de 4 camadas, que é mostrada aqui:

A placa tem 100 mm quadrados. Eu tinha essas placas fabricadas pela ALLPCB, que especificam cobre de 35 μm em todas as camadas e 0,175 mm dielétrico (constante dielétrica 4,29) entre as duas primeiras camadas. Usando o AppCAD, descobri que um design com largura de rastreio de 0,35 mm e intervalo de 0,25 mm gera uma impedância de 48,5 Ω. A camada superior da placa é mostrada em vermelho acima. As outras três camadas são planos de terra com esta aparência:

Recebi as placas hoje e comecei testando o S21 para a segunda seção da parte inferior - um pedaço reto de GCPW com conectores SMA em cada extremidade. Usei um HP 8753C / HP 85047A com um curto comprimento de cabo coaxial conectado às portas 1 e 2 e a placa de teste conectada entre esses comprimentos de cabo coaxial. Para minha surpresa, foi o que vi:

A 2,45 GHz, minha linha de transmissão tem uma resposta de -10 dB. Se eu substituir a placa por um conector "thru", vejo exatamente o que eu esperaria:

Estou um pouco perdido, pois pensei que o primeiro teste seria um slam dunk e começaria a encontrar problemas com os testes mais complexos acima dele. Eu tenho um VNA e um forte desejo de aprender o que estou fazendo de errado aqui. Você vê algum problema com meu método de teste ou com o próprio design do GCPW? Qualquer ajuda seria muito apreciada!

Edit: Conforme sugerido por Neil_UK, removi as térmicas em uma placa raspando a máscara de solda e preenchendo a lacuna com a solda. Medir S11 e S21 com esta configuração fornece o seguinte resultado:

Comparando o gráfico S21 com o resultado anterior, não parece haver nenhuma diferença perceptível.

Edit 2: Conforme sugerido por mkeith, eu dividi uma das "tiras" da minha placa de teste das demais usando o antigo método "score and break". A placa que escolhi interromper é a mesma em que removi as térmicas, portanto esse resultado é uma modificação adicional na plotagem anterior. Aqui está:

Há um aprofundamento das calhas no gráfico S11, mas não há melhora significativa na funcionalidade da placa como linha de transmissão.

Edit 3: Aqui está uma foto do quadro em sua versão mais recente:

Edição 4: Fotos em close-up de ambos os lados de um conector SMA:

O conector SMA é Molex 0732511150. O circuito PCB segue as recomendações da folha de dados aqui:

http://www.molex.com/pdm_docs/sd/732511150_sd.pdf

Edit 5: Aqui está uma seção transversal do quadro perto de uma borda:

As linhas verdes são dimensionadas a partir das especificações do fabricante, que são copiadas aqui:

Edit 6: Aqui está uma foto de cima para baixo do quadro com linhas em escala vermelha mostrando as dimensões esperadas:

Edit 7: Para verificar o efeito da grande área central da SMA, esculpi o bloco central em uma placa para que ela tenha a mesma largura que o restante do traço. Então usei fita de cobre para estender a área de ambos os lados:

Então eu testei novamente S11 e S21:

Isso parece ter melhorado significativamente o S11, o que me leva a acreditar que a grande área central estava, de fato, criando uma capacitância em cada extremidade da linha, resultando em ressonância.

Edit 8: Procurando algumas orientações sobre como lidar com a transição do SMA para o GCPW, deparei-me com este white paper:

http://www.mouser.com/pdfdocs/Emerson_WhitePaperHiFreqSMAEndLaunch.pdf

Embora o artigo se refira especificamente ao uso de um substrato de alta frequência, acho que ainda é aplicável aqui. Dois pontos principais se destacam para mim:

1. O GCPW deve continuar até a borda do quadro.
2. Os conectores SMA de lançamento final de alta frequência usam um pino central mais curto e mais estreito para minimizar seu efeito no GCPW. Estes podem ser mais apropriados para uma aplicação como essa com um fino condutor central na linha de transmissão.

Você não deve usar 'térmicas' ao aterrar os SMAs. Essas abas de terra devem ir direto para o grande plano de terra ininterrupto. Nem será mais difícil soldar, a maior parte da SMA precisa ser aquecida de qualquer maneira, portanto, não há necessidade desses três indutores impressos no solo de cada SMA.

Se você observar a ondulação no gráfico S21, a ondulação repetida é consistente com pontos de correspondência ruins espaçados pela largura da sua placa. Pode não ser a história toda, mas resolva esse problema óbvio antes de procurar detalhes mais sutis.

Você não precisa consertar as placas, você pode raspar qualquer resistência e unir os cortes com a solda como uma solução rápida. Edite sua postagem e adicione as novas medidas quando tiver feito isso. BTW, S11 é geralmente uma medida mais sensível a ser feita em 'bom esperado' através de linhas do que S21, embora eu concorde, este S21 é muito ruim.

Qual é o material do quadro (não um detalhe sem importância)?

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Portanto, não são as térmicas, estamos apenas em 3GHz, suponho.

A linha é calculada corretamente? Com essas dimensões, esta calculadora fornece 48,93, mas obviamente está usando cobre de espessura zero. Este fornece 47,42 com 35um de cobre e concorda com o outro com espessura zero, portanto o design parece plausível. Essas diferenças do que você assumiu não são suficientes para explicar as medidas.

A placa é fabricada corretamente?

As dimensões de largura e espaço serão fáceis de medir com um microscópio. A espessura do substrato será mais difícil. A constante dielétrica do substrato é ainda mais difícil. FR4 pode variar dependendo da espessura e da proporção vidro / resina. O núcleo da camada de 0,175 mm ou pré-impregnado? Lembre-se de que o pré-impregnado pode variar muito mais que o núcleo quando montado, pois as condições de montagem não são tão bem controladas quanto para a fabricação do núcleo.$\varepsilon_r$

Uma medição de capacitância em um pedaço de placa cortada da placa de teste, longe das vias de costura do solo, fornecerá uma espessura combinada e uma constante dielétrica. Uma medida de comprimento elétrico em suas peças de teste fornecerá uma constante essencialmente dielétrica, com uma pequena contribuição da geometria.

Será trivial modelar um comprimento de linha de transmissão e ajustar comprimento, impedância e perda, até que os S11 e S21 simulados correspondam às suas medições, você pode até pedir ao seu otimizador que faça isso automaticamente para você. Esse é um modelo plausível para seus resultados?

De repente, notei que suas abas de sinal nos conectores são muito amplas, o que criará um comprimento curto de linha de impedância muito baixa em cada conector, embora nesse comprimento, modelar como um C agrupado provavelmente seja adequado para 3GHz. Adicione dois Cs agrupados ao seu modelo e tente ajustar essas simulações aos seus resultados. Poste uma ampliação da área da interface do conector para que possamos ver o que está acontecendo lá corretamente.

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Acho que você interpretou a folha de dados incorretamente ou, em vez disso, não considerou o fato de ter quatro camadas e terra na camada superior também, as recomendações de design não exigem isso com esse layout.

Diz "cobre no lado inferior (do solo)"

É assim que interpreto a folha de dados;

A largura do bloco central foi projetada para corresponder bem / ter uma impedância próxima de 50 ohm quando você tem uma placa de camada dupla de 1,57 mm de espessura (não de 4 camadas) com o plano de solo APENAS na parte inferior (~ 1,6 mm abaixo da pista) que é porque também se você observar a faixa que se afasta do terminal, é ainda maior porque, com uma placa de 1,6 mm com terra na parte inferior, você precisa de uma faixa muito larga para obter impedância de 50 ohm.

Se você não removeu o cobre nas duas camadas intermediárias abaixo da almofada central, moveu o plano de terra muito mais perto do que deveria ser das especificações do projeto. e também porque você tem terra no plano superior, também mudou a impedância. a distância entre as almofadas central e de terra especificada na folha de dados não deve ser preenchida com o plano de terra.