Fermare la perdita di segnale nei PCB ad alta frequenza: strategie di materiale e progettazione che funzionano

Nell'elettronica ad alta frequenza-dove i segnali corre a 10 GHz e oltre, anche una perdita di 1 dB può paralizzare le prestazioni. Una stazione base di 5G potrebbe rilasciare connessioni, un sistema radar potrebbe perdere obiettivi o un ricetrasmettitore satellitare potrebbe non trasmettere dati. La perdita del segnale qui non è solo un fastidio; È un punto di fallimento critico. La buona notizia? Con i materiali e le scelte di progettazione giuste, è possibile ridurre la perdita di segnale fino al 60%, garantendo che il PCB ad alta frequenza funziona come previsto. Ecco come farlo.

Perché la perdita del segnale avviene nei PCB ad alta frequenza

La perdita del segnale (spesso chiamata perdita di inserimento) nei PCB ad alta frequenza deriva da tre colpevoli principali. Comprenderli è il primo passo per risolvere il problema:

A. Dielettrica perdita: energia sprecata come calore nel substrato PCB, causato dalla costante dielettrica del materiale (DK) e perdita tangente (DF). DF più elevato = più perdita, specialmente sopra i 28 GHz.
B. Perdita di condanna: resistenza nelle tracce di rame, peggiorata dall'effetto cutaneo (segnali ad alta frequenza che viaggiano su superfici di traccia) e rugosità superficiale.
C. RADIAZIONE: segnala "perdite" dalle tracce a causa di un routing scarso, una messa a terra inadeguata o una lunghezza eccessiva di traccia.

Scelte materiali: la base di prestazioni a bassa perdita
Il substrato PCB è la prima linea di difesa contro la perdita del segnale. Ecco come si confrontano i materiali migliori a 60 GHz (una frequenza MMWAVE comune per 5G e radar):

Takeaway chiave: i materiali PTFE e Rogers hanno tagliato la perdita totale del 65-73% rispetto a FR-4 a 60 GHz. Per la maggior parte dei progetti ad alta frequenza, Rogers RO4830 bilancia prestazioni e costi.

Strategie di progettazione per ridurre al minimo la perdita di segnale
Anche i migliori materiali non possono superare il scarso design. Usa queste tecniche per integrare la scelta del substrato:

1. Accorciano le lunghezze delle tracce
I segnali ad alta frequenza si degradano rapidamente a distanza. Per ogni 1 pollice di traccia a 60 GHz:

A.FR-4 perde ~ 11 dB (quasi il 90% della potenza del segnale).
B.PTFE perde ~ 3 dB (50% di forza).

Correzione: tracce di rotta direttamente, evitando curve inutili. Utilizzare i motivi "dogbone" per le connessioni dei componenti per ridurre al minimo la lunghezza senza sacrificare la saldabilità.

2. Controllo impedenza rigorosamente
I disallineamenti dell'impedenza (quando la traccia impedenza si allontana dal bersaglio, ad esempio, 50 ohm) causano perdita di riflessione: segni che rimbalzano indietro invece di raggiungere la loro destinazione.

Come correggere:
Utilizzare strumenti di simulazione (ad es. Ansys Siwave) per calcolare la larghezza/spaziatura della traccia per il materiale (ad es. Tracce di 50 ohm su Rogers RO4830 necessitano di una larghezza di ~ 7 mil con spaziatura di 6 mil).
Aggiungi coupon di test di impedenza al pannello PCB per verificare la post-produzione di coerenza.

3. Ottimizza i piani di terra
Un piano di terra solido funge da "specchio" per i segnali, riducendo la perdita di radiazioni e stabilizzando l'impedenza.

Best practice:
A. Utilizzare un piano di terra continuo direttamente sotto le tracce del segnale (nessuna divisione o lacune).
B.Por per PCB multistrato, posizionare i piani di terra adiacenti agli strati di segnalazione (separati da ≤0,02 pollici per le alte frequenze).

4. Riduci Vias e mozziconi
Vias (fori che collegano i livelli) creano discontinuità di impedenza, specialmente se sono:

A.Too grande (diametro> 10 mils per disegni da 50 ohm).
b. non placcato o scarsamente placcato.
C.accompagnato da "stub" (non utilizzato per lunghezza oltre il punto di connessione).

Correzione: utilizzare microvia (6-8 mil) con "perforazione posteriore" per rimuovere gli stub, tagliando la perdita correlata del 40%.

5. Tracce di rame lisce
Le superfici del rame ruvide aumentano la perdita del conduttore fino al 30% a 60 GHz (a causa della resistenza all'amplificazione dell'effetto cutaneo).

A.Soluzione: specificare rame "basso profilo" (rugosità superficiale <0,5 μm) anziché rame standard (1,5–2,0 μm). Rogers e Isola offrono substrati con rame pre-laminato a basso profilo a questo scopo.

Risultati del mondo reale: un caso di studio 5G
Un produttore di telecomunicazioni è passato da FR-4 a Rogers RO4830 per i loro moduli 5G da 28 GHz e ha implementato le strategie di progettazione sopra. Il risultato?

La perdita di A.Signal è scesa da 8 dB a 3,2 dB su 4 pollici di traccia.
B. L'affidabilità della connessione è migliorata del 45% nei test sul campo.
La generazione di c.HEAT (dalla perdita dielettrica) è diminuita del 28%, estendendo la durata della vita dei componenti.

Conclusione
L'arresto della perdita del segnale in PCB ad alta frequenza richiede un approccio a due punte: scegliere materiali a basso DF (come Rogers o PTFE) e abbinarli a controlli di progettazione stretti (tracce brevi, abbinamento impedenza, terreni solidi). Per i sistemi 5G, radar o satellitari, questa combinazione non è facoltativa: è la differenza tra un prodotto che funziona e uno che fallisce.

Dare la priorità sia alle prestazioni del materiale che alla disciplina del design, ti assicurerai che il tuo PCB ad alta frequenza offra la velocità, la gamma e l'affidabilità che la tua applicazione richiede.