Una valla de paso , también llamada valla de estacas , es una estructura utilizada en tecnologías de circuitos electrónicos planos para mejorar el aislamiento entre componentes que de otro modo estarían acoplados por campos electromagnéticos . Consiste en una fila de orificios pasantes que, si están lo suficientemente espaciados entre sí, forman una barrera para la propagación de ondas electromagnéticas de los modos de losa 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 de paso permite que se pueda unir eléctricamente un blindaje al lado superior, pero que se comporte eléctricamente como si continuara a través de la PCB.
Los componentes y subunidades de la electrónica moderna tienen densidades altas para lograr tamaños pequeños. Normalmente, muchas funciones están integradas en la misma placa o chip . Si no están adecuadamente protegidas entre sí, pueden surgir muchos problemas, como una respuesta de frecuencia deficiente, rendimiento de ruido y distorsión.
Las vallas de paso se utilizan para proteger las líneas de transmisión de microbanda y stripline , proteger los bordes de las placas de circuitos impresos, proteger las unidades de circuitos funcionales entre sí y formar las paredes de las guías de ondas integradas en un formato plano. Las vallas de paso son económicas y fáciles de implementar, pero ocupan espacio en la placa y no son tan efectivas como las paredes de metal sólidas.
Las tecnologías planares se utilizan en frecuencias de microondas y hacen uso de 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 planares se acoplan fácilmente entre sí cuando están muy próximas, un efecto llamado acoplamiento parásito. El acoplamiento se debe a campos de borde que se propagan desde los bordes de la línea y que intersecan 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 afán por reducir los costos, conduce a un alto grado de integración y unidades de circuitos 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 las reflexiones , el empeoramiento de la figura de ruido , la inestabilidad del amplificador y el suministro de rutas de retroalimentación no deseadas. [2]
En las líneas de banda, las cercas que corren paralelas a la línea en ambos lados sirven para unir los planos de tierra, evitando así la propagación de modos de placas paralelas. [3] Se utiliza una disposición similar para suprimir modos no deseados en guías de ondas coplanares con respaldo metálico .
Una valla de vías consiste en una fila de orificios pasantes , es decir, orificios que pasan a través del sustrato y están metalizados en el interior para conectarse a los pads en la parte superior e inferior del sustrato. En un formato stripline, tanto la parte superior como la inferior de la lámina dieléctrica están cubiertas con un plano de tierra de metal , por lo que cualquier orificio pasante se conecta a tierra automáticamente en ambos extremos. En otros formatos planos, como microstrip, hay un plano de tierra solo en la parte inferior del sustrato. En estos formatos, la práctica habitual es conectar los pads superiores de la valla de vías con una pista metálica (ver figura 2). Esto todavía no aísla completamente el campo como se puede hacer en stripline. En stripline, el campo solo puede propagarse entre los planos de tierra, pero en microstrip puede filtrarse por la parte superior de la valla de vías. Sin embargo, la conexión de los pads superiores mejora el aislamiento en 6-10 dB . [2] En algunas tecnologías, es más conveniente formar la valla a partir de postes conductores en lugar de vías. [4]
El aislamiento se puede mejorar aún más colocando una pared metálica sobre la barrera de paso. Estas paredes suelen formar parte del recinto del dispositivo. Los grandes orificios en las barreras de paso que se ven en las figuras 1 y 5 son orificios para tornillos para sujetar estas paredes en su lugar. La fundición de la pared que pertenece a este circuito se muestra en la figura 3. [5]
El diseño de la valla debe tener en cuenta el tamaño y el espaciamiento de las vías. Lo ideal es que las vías actúen como cortocircuitos, pero no son ideales y un circuito equivalente de vías se puede modelar 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 la vía. Se deben tener en cuenta las resonancias, en particular la resonancia paralela de C y L 2 permitirá que las ondas electromagnéticas pasen a la frecuencia resonante. 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 inciden. Si es demasiado grande, las ondas podrán pasar a través de los huecos. Una regla general es hacer que el espaciado sea menor que λ/20 en la frecuencia operativa máxima. [6]
Las barreras de paso se utilizan principalmente en frecuencias de RF y microondas donde se aplican formatos planos. Se utilizan en tecnologías de circuitos impresos como microbandas, tecnologías cerámicas como cerámica cocida a baja temperatura , circuitos integrados monolíticos de microondas y tecnología de sistema en un paquete . [7] Son especialmente importantes para aislar unidades de circuitos que funcionan a diferentes frecuencias.
También llamadas costuras de vías , las cercas de vías se pueden usar alrededor del borde de una placa de circuito impreso, un ejemplo se puede ver en la figura 5. Esto se puede hacer para evitar interferencias electromagnéticas con otros equipos, o incluso para bloquear la reentrada de radiación desde otra parte del mismo circuito. [8]
Las vallas de paso también se utilizan en guías de onda de pared posterior , también conocidas como guías de onda laminadas (LWG). [9] En LWG, dos vallas de paso paralelas forman las paredes laterales de una guía de onda. Entre ellas, y los planos de tierra superior e inferior del sustrato, hay un espacio aislado electromagnéticamente. No hay ningún conductor eléctrico dentro de este espacio, pero las ondas electromagnéticas pueden existir dentro del material dieléctrico encerrado del sustrato y su dirección de propagación está guiada por la 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 muy espaciadas. Normalmente, se requiere un aislamiento de 60 dB entre guías, es decir, 30 dB por valla. Una especificación de valla de banda W típica ( 75-110 GHz ) que cumple este requisito en LWG es de vías de 0,003 pulgadas (76 μm) espaciadas 0,006 pulgadas (150 μm) entre centros. Esto puede ser un desafío para fabricar, y a veces se logra una mayor densidad de vías construyendo la cerca a partir de dos filas escalonadas de vías. [10]
Las barreras de paso son económicas y convenientes. Cuando se utilizan en formatos planos, no requieren procesos adicionales para su fabricación. En un circuito impreso, por ejemplo, se fabrican en el mismo proceso que crea los patrones de las pistas. Sin embargo, las barreras de paso no pueden acercarse al aislamiento que se puede lograr con paredes metálicas continuas. [11]
Las vallas de paso utilizan una gran cantidad de valioso espacio del sustrato y, por lo tanto, aumentarán el tamaño general del conjunto. Las vallas de paso demasiado cerca de la línea que se está protegiendo pueden degradar el aislamiento que de otro modo se podría lograr. En las líneas de cinta, una regla general es colocar las vallas al menos a cuatro veces la distancia de la pista al plano de tierra de la línea que se está protegiendo. [12]