Ich konnte keine Erklärung finden, warum man so viele Durchkontaktierungen (~ 50) wie möglich entlang der Kupferspur (oder überall auf einer Leiterplatte) platzieren möchte, die ein hochfrequentes HF-Signal (100 MHz bis GHz) überträgt.
In meinem Fall habe ich zwei Masseebenen (Güsse) auf beiden Seiten meiner Leiterplatte. Meine Intuition ist, dass Sie irgendwie mit Durchkontaktierungen eine gegenseitige Erdung zwischen beiden Erdungsebenen erzeugt haben, so dass kein Signal von einer Leckage von der oberen Erdungsebene zur unteren Erdungsebene entlang der Leiterplattenkante gelangt.
Dies liegt daran, dass der PCB-Umfang wie eine Schleife für den HF-Leckstrom wäre. Um die induzierte Stromschleife zu minimieren, muss eine "Verknüpfung" bereitgestellt werden, damit die beiden Ebenen direkt miteinander in Kontakt treten können. Habe ich recht?
Antworten:
Sie sprechen tatsächlich über zwei sehr unterschiedliche Dinge. Eine davon ist über das Nähen das gitterartige Muster von Durchkontaktierungen, die möglicherweise zwei Masseebenen verbinden.
Die anderen sind über Zäune Durchkontaktierungen, die eine HF-Spur auf allen Seiten vollständig umgeben, außer möglicherweise, wenn das Ende an einer Antenne oder ähnlichem endet.
Jetzt ist es eine gute Idee, Grundebenen mit einem regulären Muster (innerhalb eines vernünftigen Rahmens können Sie dies wirklich nach Ihrem Geschmack tun) auf jeder Leiterplatte zusammenzufügen, unabhängig davon, ob DC- oder 5-GHz-Signale übertragen werden. Es stellt sicher, dass alle Kupferinseln, die möglicherweise unbemerkt geblieben sind, tatsächlich mit der Erde verbunden sind (das passiert den Besten von uns), dass alles den kürzest möglichen Weg zur Erde hat und dass der Boden im Allgemeinen als Erde bleibt.
Jetzt ist Masse bei hohen Frequenzen kein besonders nützliches Konzept. Und selbst bei Gleichstrom fließen Erdungsrückströme durch Ihre Erdungsebenen, und das Kupfer hat einen winzigen Widerstand. Boden ist nur eine Fantasie, es gibt keine magische Kupferplatte, die an jedem Punkt das gleiche Potenzial hat. Masse bedeutet nur etwas, das wir versuchen, mit unterschiedlichem Erfolg nahe am gleichen Potential zu halten, und dieses Potential als 0-V-Referenz für den Rest unserer Schaltung gewählt hat.
Sobald jedoch Strom zu fließen beginnt, verursacht er eine Spannung über dem Kupfer, durch das er fließt. Dies dient dazu, den Strom zu verteilen, kann aber auch dazu führen, dass unsere Masse abhängig von dem Teil der Leiterplatte, den Sie verwenden, „abprallt“ schauen, und, na ja ... nichts ist jemals WIRKLICH auf dem gleichen Potenzial. Gleichmäßiger Boden. Das Nähen wird als „Best Practice“ und als kostengünstiger Weg angesehen, um sicherzustellen, dass Ihre Erdung in Bezug auf das Spannungspotential zwischen einem Teil der Erdung und einem anderen usw. enger gekoppelt ist.
Wie sie sagen, kann man nie zu viele Erdungsstifte haben. Es funktioniert auch für Boden-Vias.
Eine weitere wichtige Verwendung von Durchkontaktierungen ist die Wärmeleistung. Durchkontaktierungen dienen als ziemlich gute Wärmeleiter, sicherlich viel besser als FR4. Wenn Durchkontaktierungen für die Wärmeleistung verwendet werden, werden Sie im Allgemeinen feststellen, dass sie so dicht wie möglich verpackt sind und einen Kupferstreifen bedecken, der beim Einschalten der Platine voraussichtlich geröstet wird. Und selbst bei bescheideneren Anforderungen ist es fast immer vorzuziehen, eine Leiterplatte zu haben, die thermisch enger gekoppelt ist als weniger. Wenn die Temperatur auf der Leiterplatte ähnlicher ist, driften alle Dinge, die mit der Temperatur driften (was so ziemlich alles auf der Platine ist), zusammen.
Bei RF-Boards sieht das etwas anders aus. Zum einen geben Rückströme keinen Grund mehr für Ihre Grundebene. Bei niedrigen Frequenzen waren unsere Erdungsrückströme etwas diffus und nahmen den kürzesten geometrischen Weg zum niedrigsten Potentialpunkt (das Ding, das unsere Erdungsebene erdet, wie die Erdung der Stromversorgung, eine Batterie, was auch immer).
Selbst bei bescheidenen Frequenzen werden die Erdungsrückströme von der reaktiven Impedanzkomponente dominiert. Die Reaktanz (die imaginäre Komponente) der komplexen Impedanz ist ein Maß für die Impedanz, das auf verschiedene Elemente in einer Schaltung zurückzuführen ist, die Energie mit einer bestimmten Geschwindigkeit speichern, im Gegensatz zu der resistiven (realen) Komponente, bei der es sich lediglich um eine Impedanz handelt, die durch die Verlustleistung verursacht wird eine bestimmte Rate.
Die Reaktanz ist frequenzabhängig, da die gespeicherte Energie nicht nur weg ist, sondern in den Stromkreis zurückkehrt und wie schnell die Dinge wackeln, bestimmt, wie viel Zeit (und damit wie viel Energie) gespeichert wird, bevor sie erhalten wird mit dem nächsten Wackeln wieder freigegeben.
Die Reaktanz ist immer auf zwei Energie zurückzuführen, die entweder in einem elektrischen Feld oder in einem Magnetfeld gespeichert ist. Kapazität und Induktivität sind lediglich ein Maß für die Fähigkeit von etwas, Energie in einem elektrischen bzw. magnetischen Feld zu speichern. Jetzt fängt alles an zusammen zu kommen, würdest du nicht sagen?
Der Strom wird dem Pfad der niedrigsten Impedanz folgen. Mit steigender Frequenz müssen unsere Rückströme zunehmend die Induktivität und Kapazität minimieren, die zwischen dem positiven Strom und dem Erdungsrückstrom gebildet werden. Es soll minimieren, wie viel Energie in Parasiten gespeichert werden kann.
Unser Erdstrom wird alles tun, um DIREKT unter dem Pfad des ursprünglichen Stroms zu fließen.
Wie Sie sehen können, sind 100 MHz unbeeindruckt von unseren schönen, kurzen Bodenwegen, die wir ihm zur Verfügung gestellt haben. Tatsächlich ignoriert es sie vollständig.
Aus diesem Grund erfolgt das Durchsteppen und Umzäunen von HF-Platinen aus ganz anderen Gründen als alles, was mit Boden zu tun hat oder ein gutes Bodenpotential beibehält. Ja, ich werde endlich deine Frage beantworten!
Der Bereich der elektromagnetischen Wellen unter 300 GHz, den wir allgemein als Funkwellen bezeichnen, ist das Ergebnis der Beschleunigung von Ladungsträgern. Jedes Mal, wenn Sie einen Ladungsträger beschleunigen, wird eine elektromagnetische Welle ausgesendet, die aufgrund einer ernsthaften Physik, die hier nicht in den Rahmen fällt, ein wenig Energie, Impuls und Drehimpuls enthält und genau richtig abgestrahlt wird, um sie zu erhalten. Natürlich kann es mit entfernten Ladungsträgern interagieren, und dieser Impuls, Drehimpuls und diese Energie können an andere Ladungsträger zurückgegeben werden, wodurch diese beschleunigt werden. Dies ist natürlich die physikalische Basis aller Funktechnologien.
Damit Ladungsträger beschleunigt werden können, müssen sie mobil sein. Mit anderen Worten, wir brauchen Dirigenten.
Die schreckliche Wahrheit hier ist, dass buchstäblich alles Leitfähige eine Antenne ist und glücklich so ziemlich alles ausstrahlt und aufnimmt, was eine Frequenz hat, die hoch genug ist, um die Wellenlänge klein genug zu machen, um in den Leiter zu passen.
Unsere einzige wirkliche Verteidigung dagegen besteht darin, alle unsere Leitungswege zu kurz zu machen, um bei der interessierenden Frequenz wirksame Strahler zu sein.
Daher wird es als bewährte Methode angesehen, Kupfergüsse auf einer HF-Platine mit Durchkontaktierungen zu schalten, die mindestens 1/10 der Wellenlänge der höchsten interessierenden Frequenz oder λ / 10 voneinander entfernt sind. Minimum. Wenn möglich, möchten Sie wirklich einen Abstand von λ / 20 in Ihren Durchkontaktierungen in einem Gittermuster anstreben.
Das bringt uns zum schrecklichsten Teil von allen und wohl zum wichtigsten Grund für das Nähen und den Hauptimpuls, der hinter Zäunen steckt: alles, was KEIN Leiter von Ladungsträgern ist ...
... ist ein fantastischer Leiter elektromagnetischer Wellen.
Das ist richtig, alles, was wir Isolatoren, Dielektrika nennen, einschließlich eines Vakuums oder einer schönen PTFE-Drahtisolierung oder des FR4-Laminats unserer Leiterplatte - sie sind alles, was Leiter für Strom sind, aber für elektromagnetische Wellen. Sie sind Leiter elektromagnetischer Wellen. Leiter hingegen sind Isolatoren (Reflektoren sind wahrscheinlich eine bessere Analogie) für elektromagnetische Wellen.
Wenn Sie Kabelfernsehen oder Internet haben, sind Sie mit den 75 Ω RG6- oder RG59-Koaxialkabeln vertraut, die alles tragen und zum Funktionieren bringen. Wenn Sie sich einen Querschnitt ansehen, sehen Sie weißes Material zwischen dem Abschirmgeflecht und dem einzelnen Mittelleiter. Das ist dielektrischer Schaum. Die Signale, die über dieses Kabel übertragen werden, werden nicht vom Kupferleiter übertragen, sondern vom weißen Schaum. Koaxialkabel sind keine normalen alten leitfähigen Kabel. Koaxialkabel sind Wellenleiter.
Wenn die Frequenzen so hoch werden, dass die Wellenlängen ähnlich groß sind wie die Kupfermerkmale auf der Leiterplatte, müssen Sie einen ständigen Kampf führen, um all diese elektromagnetischen Wellen in Flaschen zu halten und dorthin zu gelangen, wo Sie sie haben möchten, und nicht dorthin, wo Sie sie nicht möchten . Und sie wandern glücklich durch den leckeren dielektrischen Kern Ihrer Leiterplatte aus FR4 bis zur Seite der Platine, um wie kleine wackelige Fledermäuse aus der Hölle zu strahlen.
Und Ihre beiden Grundebenen dienen als hervorragende Wellenleiter! Sie springen zwischen ihnen auf dem Weg von der Seite Ihres Boards und vermutlich direkt in die HF-Messgeräte, die bei der FCC-Zertifizierung verwendet werden, bei der Sie kurz vor dem Scheitern stehen.
Also legen wir ein Gitter von Durchkontaktierungen fest, die viel enger sind als die kürzesten Wellenlängen, über die wir uns Sorgen machen müssen. Nicht weniger als λ / 10., aber besser λ / 20. Genau wie das Gitter an der Tür Ihres Mikrowellenherds sind diese Durchkontaktierungen zu dicht gepackt und diese Wellen treten nicht mehr aus.
Das Fechten erfolgt aus dem gleichen Grund, aber normalerweise, weil wir tatsächlich versuchen, einige Wellen abzustrahlen, aber wir möchten, dass sie in Flaschen bleiben, bis sie durch eine Art Antennenfunktion oder was auch immer auf die von uns gewünschte Weise entweichen können. Oft dienen Via-Zäune auch als äußerer Teil eines Wellenleiters, wie wenn man so will, als planares Koax. Neben sorgfältig berechneten Mikrostreifenabmessungen ist natürlich der Abstand wichtig.
Um Ihre Frage endlich zu beantworten: Alle diese Durchkontaktierungen sollen die Wackelbewegungen aufrechterhalten.
quelle