Una valla de vía , también llamada valla de estacas , es una estructura utilizada en tecnologías de circuitos electrónicos planos para mejorar el aislamiento entre componentes que de otra manera estarían acoplados por campos electromagnéticos . Consiste en una fila de orificios de paso que, si están lo suficientemente cerca entre sí, forman una barrera para la propagación de ondas electromagnéticas de los modos de placa en el sustrato. Además, si también se debe suprimir la radiación en el aire por encima de la placa, entonces una almohadilla de tira con valla permite que una lata de protección se conecte eléctricamente al lado superior, pero se comporte eléctricamente como si continuara a través de la PCB.
La electrónica moderna tiene componentes y subunidades a altas densidades para lograr un tamaño pequeño. Normalmente, muchas funciones están integradas en la misma placa o matriz . Si no se protegen adecuadamente entre sí, pueden surgir muchos problemas, incluida una respuesta de frecuencia deficiente, rendimiento de ruido y distorsión.
Via cercas se utiliza para proteger de microcinta y línea de cinta líneas de transmisión , los bordes de guardia de placas de circuito impreso, proteger unidades de circuito funcionales entre sí, y para formar las paredes de guías de onda integradas en un formato planar. Las vallas de vía son baratas y fáciles de implementar, pero utilizan el espacio de la tabla y no son tan efectivas como las paredes de metal sólido.
Propósito
Las tecnologías planas se utilizan en frecuencias de microondas y utilizan pistas de circuitos impresos como líneas de transmisión. Además de las interconexiones, estas líneas se pueden utilizar para formar componentes de unidades funcionales como filtros y acopladores . Las líneas planas se acoplan fácilmente entre sí cuando están muy próximas, un efecto llamado acoplamiento parásito . El acoplamiento se debe a campos de franjas que se extienden desde los bordes de la línea y se cruzan con líneas o componentes adyacentes. Esta es una característica deseable dentro de la unidad donde se utiliza como parte del diseño. Sin embargo, no es deseable que los campos se acoplen a unidades adyacentes. Por lo general, se requiere que los dispositivos electrónicos modernos sean pequeños. Eso, y el impulso para mantener bajos los costos, conduce a un alto grado de integración y unidades de circuito en una proximidad menos que deseable. Las vallas de vía son un método que se puede utilizar para reducir el acoplamiento parásito entre dichas unidades. [1]
Entre los muchos problemas que puede causar el acoplamiento parásito se encuentran la reducción del ancho de banda , la degradación de la planitud de la banda de paso , la reducción de la potencia de salida del amplificador, el aumento de los reflejos , el empeoramiento de la figura de ruido , la inestabilidad del amplificador y la generación de rutas de retroalimentación indeseables. [2]
En la línea de franjas, las vallas que corren paralelas a la línea a cada lado sirven para unir los planos de tierra, evitando así la propagación de los modos de placas paralelas. [3] Se utiliza una disposición similar para suprimir modos no deseados en la guía de ondas coplanar con respaldo metálico .
Estructura
Una valla de vía consiste en una fila de orificios de vía , es decir, orificios que atraviesan el sustrato y están metalizados en el interior para conectarse a las almohadillas en la parte superior e inferior del sustrato. En un formato de línea de banda , tanto la parte superior como la inferior de la hoja dieléctrica están cubiertas con un plano de tierra de metal , de modo que los orificios de paso se conectan a tierra automáticamente en ambos extremos. En otros formatos planos, como microcinta, hay un plano de tierra solo en la parte inferior del sustrato. En estos formatos, la práctica habitual es conectar las almohadillas superiores de la valla de vía con un riel metálico (ver figura 2). Esto todavía no cierra completamente el campo como se puede hacer en stripline. En la línea de bandas, el campo solo se puede propagar entre los planos de tierra, pero en las microbandas puede filtrarse por la parte superior de la valla de vía. Sin embargo, conectar las almohadillas superiores mejora el aislamiento en 6-10 dB . [2] En algunas tecnologías, es más conveniente formar la cerca a partir de postes conductores en lugar de vías. [4]
El aislamiento se puede mejorar aún más colocando una pared metálica en la parte superior de la valla de vía. Estas paredes suelen formar parte del recinto del dispositivo. Los grandes orificios en las vallas viales que se ven en las figuras 1 y 5 son orificios para tornillos para sujetar estas paredes en su lugar. La fundición de pared perteneciente a este circuito se muestra en la figura 3. [5]
El diseño de la cerca debe considerar el tamaño y el espaciado de las vías. Idealmente, las vías deberían actuar como cortocircuitos, pero no son ideales y un circuito de vía equivalente puede modelarse como una inductancia en derivación. A veces, se requiere un modelo más complejo, como el circuito equivalente que se muestra en la figura 4. L 1 se debe a la inductancia de las almohadillas y C es la capacitancia entre ellas. R y L 2 son, respectivamente, la resistencia y la inductancia de la metalización del orificio de vía. Se deben considerar las resonancias, en particular, la resonancia paralela de C y L 2 permitirá que las ondas electromagnéticas pasen a la frecuencia de resonancia. Esta resonancia debe colocarse fuera de las frecuencias de funcionamiento del equipo en cuestión. El espaciamiento de las vallas debe ser pequeño en comparación con una longitud de onda (λ) en el dieléctrico del sustrato para que la valla parezca sólida a las ondas que chocan. Si es demasiado grande, las olas podrán atravesar los espacios. Una regla general común es hacer que el espaciado sea menor que λ / 20 a la frecuencia operativa máxima. [6]
Aplicaciones
Las vallas de vía se utilizan principalmente en frecuencias de RF y microondas donde se aplican formatos planos. Se utilizan en tecnologías de circuitos impresos como microstrip, tecnologías cerámicas como cerámica cocida a baja temperatura , circuitos integrados de microondas monolíticos y tecnología de sistema en un paquete . [7] Son especialmente importantes para aislar las unidades de circuito que operan a diferentes frecuencias.
También llamado costura a través , las vallas de vía se pueden usar alrededor del borde de una placa de circuito impreso, se puede ver un ejemplo en la figura 5. Esto se puede hacer para evitar interferencias electromagnéticas con otros equipos, o incluso para bloquear el reingreso de radiación desde otro lugar. en el mismo circuito. [8]
Las vallas de vía también se utilizan en la guía de ondas posterior a la pared , también conocida como guía de ondas laminada (LWG). [9] En LWG, dos vallas de vía paralelas forman las paredes laterales de una guía de ondas. Entre ellos, y los planos de tierra superior e inferior del sustrato, hay un espacio aislado electromagnéticamente. No hay un conductor eléctrico dentro de este espacio, pero pueden existir ondas electromagnéticas dentro del material dieléctrico encerrado del sustrato y su dirección de propagación está guiada por el LWG. Esta tecnología se utiliza normalmente en frecuencias de banda milimétrica y, en consecuencia, las dimensiones son bastante pequeñas. Además, un buen aislamiento requiere que las vías estén poco espaciadas. Normalmente, se requiere un aislamiento de 60 dB entre guías, es decir, 30 dB por cerca. Una especificación típica de valla de banda W ( 75-110 GHz ) que cumple con este requisito en LWG es de .003 pulgadas (76 μm) de vías espaciadas .006 pulgadas (150 μm) entre centros. Esto puede ser difícil de fabricar y, a veces, se logra una mayor densidad de vías construyendo la cerca a partir de dos filas de vías escalonadas. [10]
Ventajas y desventajas
Las vallas viales son baratas y convenientes. Cuando se utilizan en formatos planos, no requieren procesos adicionales para su fabricación. En un circuito impreso, por ejemplo, se hacen en el mismo proceso que crea los patrones de pista. Sin embargo, las vallas no pueden acercarse al aislamiento que se puede lograr con paredes metálicas intactas. [11]
Las vallas de vía consumen una gran cantidad de valioso espacio de sustrato y, por lo tanto, aumentarán el tamaño total del conjunto. A través de vallas demasiado cerca de la línea que se está protegiendo, se puede degradar el aislamiento que de otro modo se podría lograr. En la línea de franjas, una regla general es colocar las cercas al menos cuatro veces la distancia entre el trazado y el plano de tierra de la línea que se está protegiendo. [12]
Referencias
- ^ Bahl, páginas 290-291
- ↑ a b Bahl, página 291
- ↑ Harper, página 3.21
- ↑ Harper, página 3.20
- ^ Ponchak y col. , página 349
- ^ Varias fuentes:
- Bahl, páginas 290, 296
- Harper, páginas 3.20-3.21
- ↑ Bahl, páginas 290, 291
- ^ Archambeault, páginas 215-216
- ^ Pao y Aguirre, página 585
- ^ Pao y Aguirre, páginas 586-589
- ↑ Archambeault, página 216
- ^ Joffe & Lock, página 838
Bibliografía
- Archambeault, Bruce, Diseño de PCB para control EMI en el mundo real , Springer, 2002 ISBN 1402071302 .
- Bahl, Inder, Elementos agrupados para circuitos de RF y microondas , Artech House, 2003 ISBN 1580536611 .
- Harper, Charles A., Placas de circuitos impresos de alto rendimiento , McGraw Hill Professional, 2000 ISBN 0070267138 .
- Joffe, Elya B .; Lock, Kai-Song, Grounds for Grounding: A Circuit to System Handbook , John Wiley & Sons, 2010 ISBN 9780471660088 .
- Pao, Hseuh-Yuan; Aguirre, Jerry, "Phased array", en Duixian Liu; Pfeiffer, Ulrich; Grzyb, Janusz; Gaucher, Brian; Tecnologías avanzadas de ondas milimétricas: antenas, empaques y circuitos , John Wiley & Sons, 2009 ISBN 047074295X .
- Ponchak, GE; Tentzeris, EM; Papapolymerou, J., "Coupling between microstrip lines embedded in polyimide layer for 3D-MMICs on Si" , IEE Proceedings - Microwaves, Antennas and Propagation , volumen 150, número 5, páginas 344-350, octubre de 2003.