Zapobieganie utracie sygnału w płytkach PCB o wysokiej częstotliwości: Strategie dotyczące materiałów i projektowania, które działają

W elektronikach o wysokiej częstotliwości, gdzie sygnały biegną z prędkością 10 GHz i dalej, nawet utrata 1 dB może upośledzić wydajność.lub nadajnik satelitarny może nie przekazywać danychZbyt duże straty sygnału nie są tylko kłopotliwe, ale także krytyczne.upewnienie się, że PCB o wysokiej częstotliwości działa zgodnie z przeznaczeniemOto jak to zrobić.

Dlaczego w PCB o wysokiej częstotliwości występuje utrata sygnału

Utrata sygnału (często nazywana utratą wstawienia) w PCB o wysokiej częstotliwości wynika z trzech głównych przyczyn.

a. Strata dielektryczna: energia marnowana jako ciepło w podłożu PCB, spowodowana przez stałą dielektryczną (Dk) i styczność strat materiału (Df). Wyższy Df = większa strata, szczególnie powyżej 28 GHz.
b. Utrata przewodnika: odporność na ślady miedzi, pogorszona przez działanie skóry (wysokiej częstotliwości sygnały podróżujące na powierzchniach śladów) i chropota powierzchni.
c. Utrata promieniowania: sygnały "wyciekające" z śladów z powodu złego układu drogowego, nieodpowiedniego uziemienia lub nadmiernego długości śladu.

Wybór materiału: podstawa nisko stratnych osiągów
Podłoże PCB jest pierwszą linią obrony przed utratą sygnału.

Kluczowe wnioski: materiały PTFE i Rogers zmniejszają całkowitą stratę o 65-73% w porównaniu z FR-4 w częstotliwości 60 GHz.

Zaprojektuj strategie minimalizujące utratę sygnału
Nawet najlepsze materiały nie mogą przezwyciężyć złego projektu.

1. skrócić długości śladów
Sygnały wysokiej częstotliwości szybko się rozkładają.

a. FR-4 traci ~11 dB (prawie 90% mocy sygnału).
b.PTFE traci ~3 dB (50% wytrzymałości).

Naprawa: ślady trasy bezpośrednio, unikając niepotrzebnych zakrętów.

2Kontroluj impedancję rygorystycznie.
Niezgodności impedancji (kiedy impedancja śladu odbiega od celu, np. 50 ohm) powodują utratę odbicia – sygnały odbijają się z powrotem zamiast dotrzeć do celu.

Jak to naprawić:
Użyj narzędzi symulacyjnych (np. Ansys SIwave) do obliczenia szerokości/rozstawienia śladów dla materiału (np. 50-ohmowe ślady na RO4830 Rogers wymagają ~7 mil szerokości z 6 mil rozstawieniem).
Dodaj kupony do testu impedancji do panelu PCB, aby zweryfikować spójność po produkcji.

3. Optymalizacja płaszczyzn Ziemi
Stała płaszczyzna gruntowa działa jako "lustro" dla sygnałów, zmniejszając straty promieniowania i stabilizując impedancję.

Najlepsze praktyki:
a. Używać ciągłej płaszczyzny pod ziemią bezpośrednio pod śladami sygnału (bez rozdzielenia lub szczelin).
b.W przypadku wielowarstwowych płyt PCB należy umieszczać płaszczyzny naziemne obok warstw sygnału (oddzielone od siebie o ≤ 0,02 cali w przypadku wysokich częstotliwości).

4- Zmniejszyć wias i stuby.
Przewody (dziury łączące warstwy) powodują przerwy impedancyjne, zwłaszcza jeśli są:

a. Zbyt duże (średnica > 10 mil dla konstrukcji o pojemności 50 ohm).
b. Niepowleczone lub słabo powleczone.
c. Wraz z stubs (nieużywany poprzez długość poza punktem połączenia).

Rozwiązanie: W celu usunięcia sztuczek należy użyć mikrovia (68 ml) z “back drilling”, zmniejszając straty związane z przewodem o 40%.

5Gładkie ślady miedzi.
Brutalne powierzchnie miedziane zwiększają utratę przewodników nawet o 30% w częstotliwości 60 GHz (ze względu na odporność wzmacniającą efekt skóry).

a.Rozwiązanie: Zamiast standardowej miedzi (1,5-2,0 μm) należy określić miedź o niskim profilu (przerobliwość powierzchni < 0,5 μm).

Wyniki w świecie rzeczywistym: badanie przypadku 5G
Producent telekomunikacyjny przełączył się z FR-4 na Rogers RO4830 dla swoich modułów 5G 28 GHz i wdrożył powyższe strategie projektowe.

a. Utrata sygnału spadła z 8 dB do 3,2 dB w odległości 4 cali.
b.niezawodność połączenia poprawiona o 45% w badaniach terenowych.
c. wytwarzanie ciepła (z powodu strat dielektrycznych) zmniejszyło się o 28%, wydłużając żywotność części.

Wniosek
Zatrzymanie utraty sygnału w PCB o wysokiej częstotliwości wymaga podejścia z dwóch stron: wyboru materiałów o niskim Df (takich jak Rogers lub PTFE) i połączenia ich z ściśle kontrolowanymi systemami projektowania (krótkie ślady,dopasowanie impedancjiW przypadku systemów 5G, radarowych lub satelitarnych, połączenie to nie jest opcjonalne, jest różnicą między produktem, który działa, a produktem, który nie działa.

Przywiązując priorytet zarówno do wydajności materiału, jak i dyscypliny projektowania, zapewniasz, że PCB o wysokiej częstotliwości zapewnia prędkość, zasięg i niezawodność wymaganych przez aplikację.