Technique RF - Choisir le bon matériau de carte pour réduire la taille du circuit RF

Choisir le bon matériau de carte pour réduire la taille du circuit RF

La miniaturisation des circuits devient de plus en plus importante à mesure que les besoins en mobilité et en portabilité des appareils électroniques augmentent. Avant de commencer à concevoir des produits électroniques, choisir le bon matériau de carte aidera à concevoir des cartes RF et micro - ondes plus petites. Pour une gamme de fréquences donnée, l'utilisation d'un matériau de carte de circuit avec une constante diélectrique plus élevée (DK) rend généralement la conception et la structure du circuit plus petites. Cependant, l'utilisation d'une carte de valeur DK plus élevée augmentera les pertes d'insertion du circuit et peut également réduire les performances d'autres aspects du circuit. Dans le même temps, la valeur DK du matériau de la carte affecte également les paramètres indicateurs du circuit, tels que les pertes de rayonnement, la dispersion chromatique, le couplage, etc.

Pour une fréquence donnée, la longueur d'onde dans le milieu diminuera à mesure que le matériau de la carte DK augmentera, ce qui entraînera une taille de circuit plus petite pour les circuits conçus sur des matériaux de carte ayant des valeurs de DK plus élevées que pour les circuits conçus sur des valeurs de DK plus faibles. En outre, les matériaux de carte de circuit avec des valeurs de DK plus élevées réduiront également la vitesse de phase des ondes électromagnétiques (EM) traversant ces matériaux. Le DK du matériau de la carte est typiquement une valeur mesurée à 10 GHz dans la direction de l'axe Z du matériau, c'est - à - dire dans la direction de l'épaisseur. Les matériaux de carte de circuit imprimé du commerce peuvent avoir des valeurs de DK d'axe Z aussi élevées que 10 (ou plus) ou aussi faibles que 2 (par rapport à l'air où DK est égal à 1). Mais objectivement, mais généralement avec une valeur de DK de 6 ou plus, il peut être considéré comme une feuille à haute permittivité.

Les lignes de transmission en matériau de carte à faible valeur de DK ont des vitesses de phase plus rapides. Pour la miniaturisation de circuits sensibles à la phase tels que les antennes à réseau phasé, l'influence de DK doit être prise en compte. De plus, les matériaux de carte de circuit avec des valeurs DK plus élevées présentent une dispersion plus importante que les matériaux de carte de circuit avec des valeurs DK plus faibles. Les matériaux de carte avec des valeurs DK plus élevées sont généralement utilisés dans les coupleurs directionnels et autres circuits nécessitant des coefficients de couplage plus élevés.

En ce qui concerne DK, le matériau de la carte est généralement anisotrope. Bien que les matériaux aient des valeurs de DK différentes sur les trois axes, il est souvent habituel de comparer les matériaux en fonction de leur valeur de DK dans la direction de l'axe Z. Pour les matériaux ayant des valeurs DK plus élevées, la différence DK entre l'axe Z et le plan X - y du circuit est généralement supérieure à la différence des matériaux ayant des valeurs DK plus faibles. Les valeurs de DK dans les trois dimensions du matériau de la carte détermineront ensemble les performances d'une ligne de transmission, par example une ligne microruban, réalisée sur ce matériau. Pour de nombreuses cartes haute fréquence, il n'est généralement pas nécessaire de tenir compte de l'Anisotropie du matériau de la carte DK, mais l'anisotropie pose des problèmes potentiellement inconnus, en particulier lorsque les valeurs de DK dans le plan XY et DK dans l'axe Z sont très différentes. Cette différence peut poser des problèmes inattendus dans les circuits de couplage en parallèle de bord, car le couplage dépend fortement de la valeur de DK sur le plan X - y.

Lorsque l'on cherche à miniaturiser un circuit, le moyen le plus facile à penser est de minimiser l'épaisseur du matériau de la carte, mais l'épaisseur du matériau de la carte affecte les performances de plusieurs indicateurs d'un circuit haute fréquence. Bien que les pertes rayonnantes des circuits haute fréquence augmentent avec la fréquence, un matériau de carte de circuit plus épais présentera également des pertes rayonnantes plus élevées par rapport à un matériau de carte de circuit plus mince avec la même valeur de DK. Le choix de DK affecte également l'importance des pertes rayonnantes pour une disposition et une conception de circuit données, car les matériaux de carte de circuit ayant des valeurs de DK plus élevées ont des pertes rayonnantes inférieures à celles ayant des valeurs de DK plus faibles.

Pour les circuits qui peuvent provoquer des interférences résonantes ou parasites (par exemple, entre les circuits dans un PCB multicouche), il est avantageux d'utiliser un matériau de carte plus mince. Le degré de dispersion de résonance dépend généralement du type de ligne de transmission dans le circuit. Par example, les lignes de transmission microruban sont généralement plus sensibles aux problèmes de résonance et de propagation que d'autres types de lignes de transmission RF / micro - ondes telles que les lignes ruban, les lignes de transmission CPW à guide d'onde coplanaire. Un matériau de carte plus mince peut aider à réduire la taille du PCB tout en limitant les pertes de rayonnement et les problèmes de propagation de la ligne de transmission, tels que la résonance et l'Intermodulation. Une expérience d'ingénierie commune consiste à utiliser des matériaux de carte de circuit qui sont plus minces que le quart de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée du circuit. Mais une approche plus sûre consiste à choisir un matériau de carte de circuit imprimé dont l'épaisseur est plus mince que le huitième de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée.

La largeur de ligne d'une ligne de transmission, par example une ligne microruban, dépendra de l'épaisseur du matériau de la carte, par example un stratifié de circuit ou un matériau préimprégné. Un circuit avec un substrat plus épais élargit la largeur du conducteur, ce qui peut réduire les pertes de conducteur et les pertes d'insertion du circuit. Cependant, dans ce cas, certains problèmes de propagation des ondes électromagnétiques peuvent survenir. Afin de choisir l'épaisseur du matériau de la carte qui convient à la conception de la carte haute fréquence, généralement la largeur du conducteur doit également être inférieure au huitième de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée. Le DK du matériau de la carte joue un rôle important dans la détermination de la largeur du conducteur de la ligne de transmission, car un conducteur de même taille conçu sur un matériau de carte de circuit haut DK a une impédance plus faible que le même circuit sur un matériau de carte de circuit bas DK. Ainsi, pour conserver une impédance caractéristique du circuit de 50 îlots, un circuit conçu sur un matériau de carte ayant une valeur de DK plus élevée sera plus étroit.

Un choix judicieux

De nombreux compromis doivent être pris en compte lors de la conception de circuits utilisant des matériaux de carte avec des valeurs DK différentes. L'utilisation d'un matériau de carte de circuit haute DK permet non seulement de réduire la taille du circuit, mais également d'obtenir des circuits miniaturisés haute performance en combinant des matériaux de carte de circuit haute et basse DK. Par example, un filtre passe - bande constitué de cellules résonantes dont les dimensions dépendent de DK du matériau de la carte. Du fait de l'espacement entre chaque cellule de filtre, on détermine l'intensité du couplage dans le circuit affecté par le matériau de la carte DK. Le matériau de la carte avec un DK élevé offre un couplage plus fort et permet plus d'espace entre les cellules de résonance du filtre.

Afin de vérifier les avantages de l'utilisation de matériaux de carte de circuit ayant des valeurs DK différentes (combinaison de matériaux ayant des valeurs DK différentes en composants composites), des filtres passe - bande ont été conçus sur des matériaux composites de cartes de circuit de haut DK et de bas DK. Le matériau haut DK utilisé dans ce filtre est un stratifié de circuit RT / duroid® 6010.2lm avec une valeur DK de 10,7; Et le matériau à faible DK utilisé est une ébauche pré - imprégnée 2929 ayant une valeur DK de 2,9. Les deux matériaux proviennent de Rogers. Étant donné que les matériaux de carte avec différentes valeurs de DK entraînent des différences dans les performances du circuit, des simulations informatiques sont nécessaires pour déterminer par modélisation les proportions requises pour les épaisseurs de deux matériaux différents. Cette approche de modélisation peut nous aider à concevoir un filtre Composite parfait. Les résultats expérimentaux ont montré que la taille du filtre de la conception composite non seulement maintient la taille d'un seul matériau à haute DK, mais améliore également les performances électriques. Par example, la résonance des harmoniques supérieures est considérablement réduite et les caractéristiques de bande résistive du filtre sont également nettement améliorées. Des études ont montré qu'en utilisant plus d'un matériau de carte dans un circuit, il est généralement possible de miniaturiser un circuit sans sacrifier les performances.