Yüksek Frekanslı PCB'lerde Sinyal Kaybını Durdurmak: İşe Yarayan Malzeme ve Tasarım Stratejileri

Yüksek frekanslı elektroniklerde sinyallerin 10 GHz'den daha yüksek hızlarda hızlandığı yerlerde 1 dB'lik bir kayıp bile performansı engelleyebilir.ya da bir uydu alıcısı verileri iletemez.İyi haber şu ki, doğru malzemeler ve tasarım seçimleri ile sinyal kaybını %60'a kadar azaltabilirsiniz.Yüksek frekanslı PCB'nizin amaçlandığı gibi çalışmasını sağlamakİşte nasıl yapılır.

Yüksek Frekanslı PCB'lerde Sinyal Kaybının Neden Oluştuğu

Yüksek frekanslı PCB'lerde sinyal kaybı (genellikle ekleme kaybı olarak adlandırılır) üç ana suçludan kaynaklanır.

a.Dielectric Kayıp: Malzemenin ∆dk (Dk) ve kayıp dokunuşundan (Df) kaynaklanan PCB substratındaki ısı olarak boşa harcanan enerji. Daha yüksek Df = daha fazla kayıp, özellikle 28 GHz'in üzerinde.
b.Kondüktör Kaybı: Deri etkisi (iz yüzeylerinde seyahat eden yüksek frekanslı sinyaller) ve yüzey kabalığı nedeniyle kötüleşen bakır izlerinde direnç.
c. Radyasyon Kaybı: Kötü yönlendirme, yetersiz topraklama veya aşırı iz uzunluğu nedeniyle izlerden “sızıntı” sinyalleri.

Malzeme Seçimi: Düşük Kayıplı Performansın Temelleri
PCB substratınız sinyal kaybına karşı ilk savunma hattıdır. İşte üst malzemelerin 60 GHz'te (5G ve radar için ortak bir mmWave frekansı) nasıl karşılaştırıldığını:

Anahtar: PTFE ve Rogers malzemeleri, 60 GHz'te FR-4'e kıyasla toplam kayıpları %65-73 oranında azaltır.

Sinyal kaybını en aza indirmek için stratejiler tasarlayın
En iyi malzemeler bile kötü tasarımın üstesinden gelemez. Altyapı seçiminizi tamamlamak için bu teknikleri kullanın:

1. İz uzunluklarını kısaltın.
Yüksek frekanslı sinyalleri uzaklıkta hızla bozulur.

a.FR-4 ~11 dB (sinyal gücünün yaklaşık% 90) kaybeder.
b.PTFE ~3 dB (gücünün %50) kaybeder.

Düzeltme: Yolu doğrudan izler, gereksiz virajlardan kaçınır.

2İmpedansı sıkı bir şekilde kontrol edin.
Impedans uyumsuzlukları (izleyici impedans hedeften uzaklaştığında, örneğin 50 ohm) yansıma kaybına neden olur.

Nasıl düzeltilir:
Malzemeniz için iz genişliği / aralık hesaplamak için simülasyon araçları (örneğin Ansys SIwave) kullanın (örneğin, Rogers RO4830'daki 50 ohm izlere 6 mil aralıkla ~ 7 mil genişliğe ihtiyaç vardır).
PCB panelinize, üretim sonrası tutarlılığı doğrulamak için impedans testi kuponları ekleyin.

3Yer düzlemlerini optimize edin.
Katı bir zemin düzlemi sinyaller için bir “ ayna ” olarak hareket eder, radyasyon kaybını azaltır ve impedansi istikrarlandırır.

En iyi uygulama:
a.Sinyal izlerinin hemen altında bir tanelik yer düzlemini kullanın (çaplama veya boşluk yok).
b. Çok katmanlı PCB'ler için, sinyal katmanlarına bitişik zemin düzlemlerini yerleştirin (yüksek frekanslar için ≤0.02 inç arasında).

4Vias ve Stubs'u azaltın.
Vias (katmanları birbirine bağlayan delikler) özellikle aşağıdaki durumlarda impedans kesintileri yaratır:

a. Çok büyük (50 ohm tasarımlar için çapı > 10 mil)
b.Yapılandırılmamış veya kötü yapılandırılmış.
c. ′′stubs′′ ile birlikte (bağlantı noktasının ötesindeki uzunluk üzerinden kullanılmamaktadır).

Düzeltme: Çubukları çıkarmak için “geri delme” ile mikroviyalar (68 mil) kullanın, bu da yolla ilgili kayıpları %40 oranında azaltır.

5- Yumuşak bakır izleri.
Kaba bakır yüzeyler, 60 GHz'te iletken kaybını% 30'a kadar artırır (cilt etkisi güçlendirme direnci nedeniyle).

a.Çözüm: Standart bakır (1.5 ∼2.0 μm) yerine "düşük profilli" bakır (yüzey kabalığı < 0,5 μm) belirtin. Rogers ve Isola bu amaç için önceden laminasyonlu düşük profilli bakır içeren substratlar sunar.

Gerçek Dünya Sonuçları: 5G vaka çalışması
Bir telekom üreticisi 28 GHz 5G modülleri için FR-4'ten Rogers RO4830'a geçti ve yukarıdaki tasarım stratejilerini uyguladı.

a.Sinyal kaybı 4 inçlik iz alanında 8 dB'den 3,2 dB'ye düştü.
b. Alan testlerinde bağlantı güvenilirliği %45 arttı.
c. Isı üretimi (dielektrik kayıplardan) %28 azalmış, bileşen ömrünü uzatmıştır.

Sonuçlar
Yüksek frekanslı PCB'lerde sinyal kaybını durdurmak iki yönlü bir yaklaşım gerektirir: düşük Df malzemeleri seçmek (Rogers veya PTFE gibi) ve onları sıkı tasarım kontrolleriyle eşleştirmek (kısa izler,İmpedans eşleşmesi5G, radar veya uydu sistemleri için, bu kombinasyon isteğe bağlı değildir.

Hem malzeme performansını hem de tasarım disiplinini öncelik vererek, yüksek frekanslı PCB'nizin uygulamanızın talep ettiği hız, menzil ve güvenilirliği sağlayacağını garanti edersiniz.