¿Qué hay de malo con mi guía de onda coplanar a tierra de 50 Ω?

He estado trabajando en un diseño de 4 capas construido alrededor del SoC EFR32BG13 Bluetooth Low Energy. Mientras intentaba medir la impedancia de la antena para construir un circuito coincidente, descubrí que mi línea de transmisión de guía de onda coplanar corta a tierra (GCPW) actuaba más como una antena que como una línea de transmisión.

Para reducir la causa del problema, construí un tablero de prueba de línea de transmisión de 4 capas simple, que se muestra aquí:

El tablero es de 100 mm cuadrados. Hice estas placas fabricadas por ALLPCB, que especifica 35 μm de cobre en todas las capas y dieléctrico de 0.175 mm (constante dieléctrica 4.29) entre las dos primeras capas. Usando AppCAD, descubrí que un diseño con 0.35 mm de ancho de trazo y 0.25 mm de espacio produce una impedancia de 48.5 Ω. La capa superior para el tablero se muestra en rojo arriba. Las otras tres capas son planos de tierra que se ven así:

Recibí las placas hoy y comencé probando S21 para la segunda sección desde la parte inferior: una pieza recta de GCPW con conectores SMA en cada extremo. Utilicé una HP 8753C / HP 85047A con una longitud corta de coaxial conectada a los puertos 1 y 2 y la placa de prueba conectada entre esas longitudes de coaxial. Para mi sorpresa, esto es lo que vi:

A 2,45 GHz, mi línea de transmisión tiene una respuesta de -10 dB. Si reemplazo la placa con un conector "pasante", veo exactamente lo que esperaría:

Estoy un poco perdido, ya que pensé que la primera prueba sería una volcada y comenzaría a encontrar problemas con las pruebas más complejas anteriores. Tengo un VNA y un fuerte deseo de aprender lo que estoy haciendo mal aquí. ¿Puedes ver algún problema con mi método de prueba o con el diseño de GCPW? Cualquier ayuda en absoluto sería muy apreciada!

Editar: según lo sugerido por Neil_UK, he eliminado las térmicas en una placa raspando la máscara de soldadura y luego uniendo la brecha con la soldadura. Medir S11 y S21 con esta configuración da el siguiente resultado:

Comparando el gráfico S21 con el resultado anterior, no parece haber ninguna diferencia perceptible.

Edición 2: Según lo sugerido por mkeith, he separado una de las "tiras" de mi tablero de pruebas del resto usando el viejo método de "puntaje y descanso". La placa que elegí romper es la misma placa en la que eliminé las térmicas, por lo que este resultado es una modificación adicional en la gráfica anterior. Aquí está:

Hay una profundización de los canales en el diagrama S11, pero no hay una mejora significativa en la funcionalidad de la placa como línea de transmisión.

Edición 3: Aquí hay una foto del tablero en su realización más reciente:

Edición 4: primeros planos de ambos lados de un conector SMA:

El conector SMA es Molex 0732511150. La tierra de PCB sigue las recomendaciones en la hoja de datos aquí:

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

Edición 5: Aquí hay una sección transversal del tablero cerca de un borde:

Las líneas verdes se escalan a partir de las especificaciones del fabricante, que se copian aquí:

Edición 6: Aquí hay una foto de arriba hacia abajo del tablero con líneas de escala roja que muestran las dimensiones esperadas:

Edición 7: para verificar el efecto de la gran tierra central de SMA, corté la almohadilla central en una placa para que tuviera el mismo ancho que el resto de la traza. Luego usé cinta de cobre para extender los terrenos a cada lado:

Luego volví a probar S11 y S21:

Esto parece haber mejorado significativamente S11, lo que me lleva a creer que el gran centro de la tierra, de hecho, estaba creando una capacitancia en cualquier extremo de la línea que resulta en resonancia.

Edición 8: Buscando alguna guía sobre cómo manejar la transición de SMA a GCPW, me encontré con este documento:

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

Si bien el documento se refiere específicamente al uso de un sustrato de alta frecuencia, creo que gran parte de él todavía es aplicable aquí. Dos puntos principales se destacan para mí:

1. El GCPW debe continuar hasta el borde del tablero.
2. Los conectores SMA de lanzamiento final de alta frecuencia utilizan un pin central que es más corto y estrecho para minimizar su efecto en el GCPW. Estos pueden ser más apropiados para una aplicación como esta con un conductor central delgado en la línea de transmisión.

No debe usar 'térmicas' cuando conecte a tierra las SMA. Esas pestañas de tierra deben ir directamente al gran plano de tierra intacto. Ni siquiera será más difícil de soldar, la mayor parte de la SMA tiene que calentarse de todos modos, por lo que no hay necesidad de esos tres inductores impresos en el suelo de cada SMA.

Si observa la ondulación en su trama S21, la ondulación repetida es consistente con tener puntos de coincidencia pobres separados por el ancho de su tablero. Puede que esa no sea la historia completa, pero resuelva este problema obvio antes de buscar detalles más sutiles.

No necesita rehacer las placas, puede raspar cualquier resistencia y unir los cortes con soldadura como una solución rápida. Edite su publicación y agregue las nuevas medidas cuando haya hecho eso. Por cierto, S11 es generalmente una medida más sensible para hacer en líneas 'esperadas buenas' que S21, aunque estoy de acuerdo, este S21 es bastante malo.

¿Cuál es el material del tablero (no un detalle sin importancia)?

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Así que no son las térmicas, supongo que solo estamos a 3GHz.

¿La línea se calcula correctamente? Con esas dimensiones, esta calculadora da 48.93, pero obviamente está usando cobre de espesor cero. Este da 47.42 con cobre de 35um, y está de acuerdo con el otro para espesor cero, por lo que el diseño parece plausible. Esas diferencias con lo que ha asumido no son suficientes para explicar las medidas.

¿La placa está fabricada correctamente?

$\varepsilon_r$

Una medición de capacitancia en un trozo de placa cortado de su placa de prueba lejos de las vías de costura de tierra le dará un espesor combinado y una constante dieléctrica. Una medición de longitud eléctrica en sus piezas de prueba le dará esencialmente una constante dieléctrica, con una pequeña contribución de la geometría.

Será trivial para usted modelar una longitud de línea de transmisión y ajustar la longitud, la impedancia y la pérdida, hasta que el S11 y S21 simulados coincidan con sus medidas, incluso podría pedirle a su optimizador que lo haga automáticamente por usted. ¿Es ese un modelo plausible para sus resultados?

De repente noté que las pestañas de señal en los conectores son muy anchas, lo que creará una línea corta de muy baja impedancia en cada conector, aunque a esta longitud, modelar como un C agrupado probablemente sería adecuado para 3GHz. Agregue dos C agrupadas a su modelo e intente ajustar esas simulaciones a sus resultados. Publique una ampliación del área de la interfaz del conector para que podamos ver qué sucede allí correctamente.

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Creo que interpretó mal la hoja de datos, o más bien no tuvo en cuenta el hecho de que también tiene 4 capas y tierra en la capa superior, las recomendaciones de diseño no lo requieren con este diseño.

Dice "cobre en el lado inferior (suelo)"

Así es como interpreto la hoja de datos;

El ancho de la almohadilla central está diseñado para coincidir bien / tener una impedancia cercana a los 50 ohmios cuando tiene una placa de DOBLE CAPA de 1.57 mm de espesor (no 4 capas) con plano de tierra en la parte inferior SOLAMENTE (~ 1.6 mm debajo de la pista) que está ¿Por qué también si miras la pista alejándose de la terminal, es aún más ancha porque con una placa de 1.6 mm con tierra en la parte inferior solo necesitas una pista muy ancha para obtener una impedancia de 50 ohmios.

Si no ha eliminado el cobre en las dos capas de cobre del medio debajo de la almohadilla central, entonces ha movido el plano de tierra mucho más cerca de lo que se supone que está de las especificaciones de diseño. y también porque has aterrizado en el plano superior también has cambiado la impedancia de eso también. su distancia entre el centro y las almohadillas de tierra especificadas en la hoja de datos no se debe llenar con el plano de tierra.