Предотвращение потери сигнала в высокочастотных печатных платах: эффективные стратегии выбора материалов и проектирования

В высокочастотной электронике, где сигналы распространяются на скорости 10 ГГц и выше, даже потеря 1 дБ может повредить производительности.или спутниковый передатчик может не передавать данныеПотеря сигнала здесь не просто раздражает, это критическая точка отказа. Хорошая новость?обеспечение высокочастотного ПКБ выполняет свои функции по назначениюВот как это сделать.

Почему в высокочастотных ПХБ происходит потеря сигнала

Потеря сигнала (часто называемая потерей вставки) в высокочастотных ПХБ происходит от трех основных виновников.

a. Диэлектрические потери: энергия, растраченная в виде тепла в субстрате ПКБ, вызванная диэлектрической постоянной (Dk) материала и тангенсом потери (Df). Более высокий Df = больше потерь, особенно выше 28 ГГц.
b. Потеря проводника: сопротивление в следах меди, ухудшается воздействием кожи (высокочастотные сигналы, перемещающиеся по поверхностям следов) и шероховатость поверхности.
c. Потеря излучения: Сигналы "утекают" из следов из-за плохой маршрутизации, неадекватного заземления или чрезмерной длины следа.

Выбор материала: основа низкоубыточной работы
Ваш ПХБ-субстрат является первой линией защиты от потери сигнала. Вот как верхние материалы сравниваются на 60 ГГц (обычная частота мм-волн для 5G и радаров):

Ключевой вывод: материалы PTFE и Rogers сокращают общие потери на 65-73% по сравнению с FR-4 на 60 ГГц. Для большинства высокочастотных конструкций Rogers RO4830 балансирует производительность и стоимость.

Разработка стратегий, позволяющих минимизировать потерю сигнала
Даже лучшие материалы не могут преодолеть плохой дизайн.

1. Сократить длину следа
Высокочастотные сигналы быстро деградируют на расстоянии.

a. FR-4 теряет ~11 дБ (почти 90% силы сигнала).
b. ПТФЭ теряет ~3 дБ (50% прочности).

Используйте шаблоны ′′dogbone′′ для соединений компонентов, чтобы минимизировать длину без ущерба для сварки.

2Контроль импеданции строго.
Несоответствие импеданса (когда импеданс следа отклоняется от цели, например, 50 ом) вызывает потерю отражения – сигналы отскакивают обратно вместо того, чтобы достичь места назначения.

Как это исправить:
Используйте симуляционные инструменты (например, Ansys SIwave) для расчета ширины / расстояния следов для вашего материала (например, 50-охмные следы на Rogers RO4830 нуждаются в ширине ~ 7 мм с расстоянием 6 мм).
Добавьте купоны для испытаний импеданса к вашей панели PCB для проверки последовательности после производства.

3. Оптимизируйте земные плоскости
Твердая земляная плоскость действует как "зеркало" для сигналов, уменьшая потерю излучения и стабилизируя импеданс.

Лучшая практика:
a. Использовать непрерывную плоскость наземного покрытия непосредственно ниже сигнальных следов (без разделений или разрывов).
b.В случае многослойных ПКЖ размещайте наземные плоскости рядом со слоями сигналов (отделенные на ≤ 0,02 дюйма для высоких частот).

4Уменьшить пробелы и заносы.
Пробелы (отверстия, соединяющие слои) создают прерывания импеданса, особенно если они:

a. Слишком большие (диаметр > 10 мм для конструкций 50 Ом).
b.Непокрытые или плохо покрытые.
c. Сопровождается

Исправление: Используйте микровиа (68 мл) с "обратным бурением" для удаления пятен, сокращая потерю, связанную с трафиком, на 40%.

5Гладкие медные следы.
Грубые медные поверхности увеличивают потерю проводника до 30% при 60 ГГц (из-за усиливающего сопротивления эффекта кожи).

a.Решение: вместо стандартной меди (1,5-2,0 мкм) указывайте “низкопрофильную” медь (поверхностная шероховатость <0,5 мкм).

Реальные результаты: тематическое исследование 5G
Производитель телекоммуникаций перешел с FR-4 на Rogers RO4830 для своих 28 ГГц 5G модулей и реализовал вышеуказанные стратегии проектирования.

a. Потеря сигнала снизилась с 8 дБ до 3,2 дБ на 4 дюйма следа.
b.Надежность соединения улучшилась на 45% в полевых испытаниях.
c. Производство тепла (из диэлектрических потерь) уменьшилось на 28%, увеличив срок службы компонента.

Заключение
Предотвращение потери сигнала в высокочастотных печатных пластинках требует двухстороннего подхода: выбор материалов с низким уровнем Df (например, Rogers или PTFE) и сочетание их с строгими элементами управления конструкцией (короткие следы,сопоставление импедансаДля 5G, радиолокационных или спутниковых систем это сочетание не является необязательным, это разница между продуктом, который работает, и продуктом, который не работает.

Уделяя первоочередное внимание производительности материала и дисциплине проектирования, вы гарантируете, что высокочастотные печатные платы обеспечивают скорость, диапазон и надежность, требуемые вашим приложением.