Technique RF - Comment choisir un matériau PCB adapté à un système de communication par satellite?

L’espace est peut - être le dernier domaine d’exploration de l’humanité, mais les satellites en orbite qui fournissent des communications par satellite (SATCOM) à la terre et son infrastructure auxiliaire semblent encore hors de portée. Pour l'électronique, l'espace peut être l'un de ses pires environnements de travail, et les différents composants d'un satellite ne doivent jamais tomber en panne. Les systèmes de communication par satellite nécessitent des matériaux PCB pour maintenir d'excellentes performances et une grande fiabilité dans les environnements difficiles et les opérations en orbite. Peu de matériaux de PCB peuvent répondre aux exigences exigeantes et difficiles des systèmes de satellites, et seuls ceux qui ont des caractéristiques spéciales peuvent être compétents.

Quels types de matériaux PCB peuvent répondre à l'environnement de travail dans l'espace? Pour les satellites travaillant dans un environnement sous vide, le faible taux de dégonflage des matériaux PCB est une condition clé. Le taux d'échappement fait référence à la libération de gaz piégés dans un solide, par exemple dans un matériau PCB. Une fois que le gaz est libéré, il se condense à la surface des différents équipements du satellite, ce qui peut entraîner des pannes dans les circuits et les systèmes.

Généralement, le processus de dégonflage est très lent, prend beaucoup de temps et nécessite une détection précise pour déterminer la quantité de matériau PCB dégonflé. L'American National Standards Institute (ANSI) a mis au point une méthode d'essai du taux de dégonflage et l'a définie dans la norme ANSI / ASTM e595 - 84. La National Aeronautics and Space Administration (NASA) utilise cette norme en combinaison avec sa méthode d'essai interne SP - R - 022A pour tester les changements de masse d'un matériau après avoir été dégonflé sous vide, afin d'évaluer le taux de dégagement de gaz. Les tests ont révélé que les matériaux à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE), tels que les matériaux composites de PCB rogersâ RT / carbure et TMM hydrocarbure, sont très résistants au dégonflage.

Les matériaux de PCB thermodurcissables de la série TMM ont fait leurs preuves pour les systèmes de communication par satellite nécessitant une grande fiabilité. Il se compose d'une gamme de céramiques, d'hydrocarbures et de polymères thermodurcissables. Sa constante diélectrique (valeur DK) dans la direction de l'axe Z (Direction de l'épaisseur) est comprise entre 3,27 et 12,85, et ses excellentes caractéristiques sont idéales pour les satellites en orbite et les environnements de travail difficiles similaires.

En plus des conditions de vide, les matériaux de PCB dans l'espace doivent pouvoir être appliqués à diverses températures extrêmes en dehors des applications traditionnelles. L'environnement spatial est généralement froid et sombre. Lorsque les satellites sont à l'ombre de la terre, la température ambiante peut être faible en raison de l'absence de régulation atmosphérique. Inversement, l'environnement opérationnel du satellite peut atteindre la température du four lorsqu'il est exposé au soleil. Les satellites en orbite continuent de circuler à des températures aussi extrêmes. Que ce soit dans les applications de satellites géostationnaires ou de satellites géostationnaires, il y a un choc thermique important sur le matériau de la carte, ce qui nécessite des propriétés thermiques particulièrement bonnes du matériau PCB.

Comment puis - je mesurer si le matériau PCB convient aux satellites? L'un des principaux indicateurs caractéristiques est le taux de variation de la constante diélectrique du matériau PCB en fonction de la température de fonctionnement. Idéalement, les matériaux de PCB utilisés dans l'espace peuvent non seulement convenir à une large plage de température, mais aussi à une très faible variation de la constante diélectrique dans cette plage de température. Le coefficient de température de constante diélectrique (tcdk) du matériau PCB peut refléter clairement la stabilité du matériau. Dans les environnements commerciaux, industriels, militaires et spatiaux, les matériaux de PCB doivent être capables de résister à de grandes fluctuations de température. La plupart des lignes de transmission haute fréquence utilisées dans les communications par satellite ont une impédance caractéristique de 50 angströms. La variation de la constante diélectrique du matériau PCB entraîne une variation de l'impédance caractéristique, entraînant des différences dans les performances du circuit, telles que des variations des caractéristiques d'amplitude et de phase.

Dans les applications de circuits spatiaux, il est très nécessaire d'utiliser des matériaux PCB à faible coefficient de température de constante diélectrique (tcdk), ce qui permet de réduire les variations de performances induites par les variations de température de la constante diélectrique. Les matériaux TMM sont conçus pour fonctionner à des températures allant de - 55 ° C à + 125 ° C et peuvent faire face aux températures extrêmes des satellites dans l'environnement spatial. À des températures extrêmes, la constante diélectrique de ces matériaux PCB varie très peu. Pour les matériaux TMM dont les valeurs de permittivité sont les plus faibles, la permittivité augmente légèrement; Pour les matériaux TMM avec une constante diélectrique de 6 ou plus, la constante diélectrique la constante diminuera légèrement.

Par example, pour un stratifié tmm3 de constante diélectrique 3,27 dans la direction de l'axe Z (épaisseur) à une fréquence de 10 GHz, le tcdk est très faible, de seulement + 37 PPM / °k. Un autre matériau PCB TMM dont la constante diélectrique varie dans le sens positif est le stratifié tmm4 qui a une constante diélectrique de 4,50 sur l'axe Z à une fréquence de 10 GHz. La diminution de la constante diélectrique du matériau PCB tmm6 avec la température est presque négligeable. Sa constante diélectrique dans la direction de l'axe Z est de 6,00 et son tcdk est extrêmement faible, de - 11 PPM / °k. D'une manière générale, les matériaux PCB dont le tcdk absolu est inférieur ou égal à 50 ppm / °k sont considérés comme présentant de bonnes caractéristiques de température.

Les matériaux de PCB de la série TMM offrent aux concepteurs de circuits une large gamme de valeurs de permittivité diélectrique optionnelles. Les concepteurs peuvent miniaturiser le circuit et économiser de l'espace en choisissant la valeur de la constante diélectrique du matériau PCB. Ceci peut être réalisé en utilisant un matériau PCB avec des valeurs de permittivité plus élevées (les circuits avec un matériau PCB à faible permittivité ont des dimensions de circuit relativement importantes lorsque les lignes de transmission ont des circuits d'impédance caractéristique identiques). Typiquement, le prix d'une telle miniaturisation de circuit est un matériau légèrement inférieur tcdk, bien que ce ne soit pas le cas pour les matériaux TMM avec des valeurs de permittivité diélectrique plus élevées. Par exemple, un matériau tmm10 a une constante diélectrique de l'axe Z de 9,20 à 10 GHz et des valeurs de tcdk aussi faibles que - 38 PPM / °k. Pour Une miniaturisation extrême, le matériau PCB tmm13i a une constante diélectrique de 12,85 sur l'axe Z et une valeur tcdk de - 70 PPM / °k, ce qui reste acceptable.

Le matériau PCB tmm13i est hautement isotrope, avec une constante diélectrique proche de 12,85 sur les trois axes directionnels (X, y, z). La plupart des matériaux sont anisotropes et les constantes diélectriques de l'axe Z diffèrent des valeurs des constantes diélectriques des axes X et Y. Pour la plupart des circuits, tels que les circuits à microruban et à ruban, la principale préoccupation est la constante diélectrique dans la direction de l'axe Z, car une grande partie du champ électromagnétique (EM) de ces lignes de transmission traverse cette direction du matériau. Mais pour les circuits avec un champ em sur le plan X - y, les matériaux isotropes peuvent fournir des performances prévisibles. Pour les circuits nécessitant l'utilisation de matériaux isotropes, le matériau tmm10i a de meilleures propriétés isotropes et est une version améliorée du matériau tmm10 standard. Le matériau tmm10i a une valeur de permittivité diélectrique de l'axe Z légèrement supérieure à celle du matériau tmm10. Le tmm10i a une constante diélectrique de l'axe Z de 9,80 à une fréquence de 10 GHz et le matériau tmm10 est de 9,20.

Les variations de température jouent un rôle décisif dans le choix des matériaux de PCB utilisés dans l'espace, et un autre paramètre clé qui intéresse les concepteurs de circuits est le coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux de PCB. Le cte peut être utilisé pour mesurer les variations dimensionnelles des matériaux de PCB lorsqu'ils sont chauffés et refroidis. Comme la plupart des matériaux de PCB se dilatent et se contractent dans une certaine mesure, les matériaux avec un Cte de 0 PPM / °k sont rares. Idéalement, la valeur cte doit être aussi faible ou proche que possible de celle d'un matériau conducteur, par example une feuille de cuivre recouvrant un matériau PCB (Cte de l'ordre de 17 PPM / °C), de sorte que le milieu en contact avec la Feuille de cuivre et la Feuille de cuivre puissent générer des variations de température minimales. Emphase sur Les matériaux TMM ont des valeurs cte allant de 15 à 26 PPM / °k sur trois axes (X, y, z), très proches de celles du cuivre. Ainsi, même dans un environnement satellite avec une plage de température importante, ses circuits présentent encore une grande fiabilité.