Technologie PCB - Analyse de la conception de la bande de fréquences millimétriques par PCB Corporation

Analyse de la conception de la bande de fréquences millimétriques par PCB Corporation

Bien que la conception et la fabrication de circuits imprimés (PCB) aux fréquences millimétriques commencent par la prise en compte des matériaux du circuit, le choix de la technologie de la ligne de transmission joue un rôle considérable dans les performances du circuit aux hautes fréquences. Alors que les communications cellulaires et sans fil continuent d'occuper la bande RF / micro - ondes, ce qui entraîne un rétrécissement de la bande passante, tandis que les ondes millimétriques peuvent fournir suffisamment de bande passante, les chercheurs scientifiques se soucient davantage des systèmes à courte portée et à faible puissance tels que les radars automobiles et les réseaux sans fil de cinquième génération (5G). L'intérêt pour les fréquences millimétriques continue de croître. En tant que technologie de ligne de transmission couramment utilisée à des fréquences d'ondes millimétriques, les concepteurs de circuits peuvent d'abord penser à des lignes microruban, à des guides d'ondes coplanaires à la Terre (gcpw) ou même à des guides d'ondes rectangulaires, mais quelles sont les performances des lignes à ruban? Dans les circuits compacts et denses, les lignes à ruban fonctionnent bien à 24 GHz (de nombreuses stations de base 5G fonctionneront à des fréquences plus élevées) ou à des fréquences plus élevées. Il y a plusieurs choses à garder à l'esprit lors de la conception et de la construction de circuits à ruban avec des fréquences d'ondes millimétriques.

La structure du ruban est relativement unique et est souvent comparée à celle d'un câble coaxial plat. Il a une structure multicouche: le conducteur intermédiaire est entouré de deux couches diélectriques (matériau du circuit) supérieure et inférieure, l'extérieur de la couche diélectrique étant entouré par un blindage métallique en haut et en bas. Ces structures en couches augmentent la complexité du circuit, mais assurent une bonne isolation entre le conducteur et la ligne de transmission, ce qui permet de réaliser des circuits extrêmement petits (en fonction des caractéristiques du matériau du PCB) aux fréquences RF, micro - ondes et ondes millimétriques.

Bien que la complexité du fil ruban augmente le temps et le coût de fabrication, il présente également des avantages remarquables. En plus d'être très isolés et miniaturisés, les plans de masse supérieurs et inférieurs des circuits à ruban contribuent à réduire les pertes rayonnantes, en particulier dans la bande des ondes millimétriques. Les pertes de rayonnement élevées des circuits microruban en font parfois des antennes inutiles. Une ligne à ruban n'est peut - être pas aussi simple qu'une ligne à microruban ou un gcpw, mais pour certaines conceptions de circuits à ondes millimétriques, elle peut être un excellent choix pour les lignes de transmission, en particulier dans les circuits à Encapsulation dense haute performance (sans interférence) ou les circuits sensibles aux rayonnements et aux interférences électromagnétiques (EMI).

Heureusement, les excellentes performances des circuits imprimés à ruban peuvent toujours être « appliquées» à des fréquences de 77 GHz ou plus grâce à des techniques de conception et de fabrication qui ont démontré de bons résultats avec plusieurs expériences. Si vous avez besoin d'une compréhension rapide des lignes microruban et gcpw, vous pouvez cliquer sur la vidéo précédente de tech microschool "comparaison des performances des lignes microruban dans la bande d'ondes millimétriques et des guides d'ondes coplanaires mis à la Terre" (cliquez pour sauter directement) pour plus d'informations.

Comme d'autres formats de ligne de transmission, les circuits de ligne à ruban se contracteront à mesure que la fréquence augmente pour s'adapter aux circuits de petites longueurs d'onde telles que les ondes millimétriques. Cependant, grâce à sa structure multicouche unique, le circuit sera toujours en mesure de rester très isolé. Les circuits à ruban ont également une bande passante plus large, de sorte qu'un seul circuit à ondes millimétriques peut être conçu pour prendre en charge de nombreuses applications. Lors de la conception et de la réalisation de circuits à ruban à des fréquences d'ondes millimétriques, des précautions appropriées doivent être prises afin d'obtenir les meilleures performances possibles et d'éviter des signaux inutiles tels que des modes de signaux parasites liés à une couverture large bande. Le choix des matériaux de PCB joue un rôle clé dans la performance des circuits de ligne de bande de fréquence millimétrique.

Choses à noter

Étant donné que les circuits à ondes millimétriques ont des longueurs d'onde plus courtes, des stratifiés minces sont généralement utilisés. Cependant, même avec des matériaux diélectriques très minces, les lignes ruban et leurs circuits multicouches sont généralement plus épais que les circuits microruban ou gcpw à une fréquence donnée. À des fréquences plus élevées, la cohérence des matériaux diélectriques PCB est essentielle à la cohérence de la propagation du signal (simulation assistée par ordinateur). Aux fréquences millimétriques, une structure en matériau diélectrique multicouche dans un circuit à ruban aura des pertes diélectriques et des pertes d'insertion plus élevées que les circuits microruban et gcpw. Cependant, en choisissant un matériau de circuit à faibles pertes diélectriques ou à faible facteur de perte (DF), il est possible de contrôler et de minimiser les pertes d'insertion de la ligne à ruban, même aux fréquences millimétriques.

Pour les circuits à ruban à des fréquences d'ondes millimétriques, la rugosité de surface des conducteurs en feuille de cuivre peut être problématique en raison de la faible longueur d'onde et du traitement habituel sur des matériaux diélectriques plus minces. Par rapport à une surface de conducteur de feuille de cuivre plus lisse, plus la surface du conducteur de feuille de cuivre est rugueuse, la propagation des ondes électromagnétiques dans le conducteur ralentit. De plus, des incohérences dans la rugosité de la surface du conducteur et du PCB peuvent entraîner des modifications des caractéristiques de Propagation électromagnétique du signal sur le PCB, et en particulier des caractéristiques de phase aux fréquences millimétriques.

Les changements dans la rugosité de la surface du cuivre entraînent des changements dans la dispersion du matériau PCB. La dispersion chromatique d'un PCB est fonction du conducteur et du matériau diélectrique. Une dispersion chromatique incohérente peut ne pas affecter les circuits aux fréquences RF ou même micro - ondes, mais elle peut provoquer des changements dans la réponse de phase de certains circuits sensibles à cette fréquence millimétrique.

Par rapport à une conversion de signal relativement simple d'un connecteur coaxial à un circuit microbande ou gcpw, un circuit à ruban nécessite une préparation appropriée pour réaliser une conversion de signal efficace d'un connecteur coaxial à un circuit PCB. Dans un circuit microruban, en supposant que le conducteur central du connecteur et la ligne de transmission du circuit avec un seul plan de masse aient la même impédance (par example 50 îlots), une connexion directe peut généralement transférer efficacement l'énergie du signal du connecteur au circuit.

Comme le plan de signal du circuit à ruban n'est pas en surface, la conversion du signal entre le connecteur coaxial et le circuit à ruban nécessite plusieurs tentatives. Pour connecter le conducteur central du connecteur avec un conducteur de circuit de ligne à ruban, il ne peut être réalisé qu'au moyen d'un via métallisé (PTH). En raison de la faible longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement, l'alimentation ou la conversion du signal du conducteur central du connecteur vers le plan de signal de la ligne à ruban passe généralement par des trous métallisés de très faible diamètre. Pour former un plan de masse uniforme dans un circuit à ruban, des perçages PTH similaires sont généralement utilisés pour connecter les plans de masse supérieur et inférieur du circuit afin de minimiser la possibilité de différences de densité de courant dans les différents plans de masse. Bien entendu, il est important de minimiser la longueur de la transition PTH. Dans un circuit à ruban, toute longueur inutile dans le trajet du signal peut entraîner une réduction des pertes de réflexion et de retour, voire la génération de signaux parasites ou harmoniques.

Quel type de stratifié convient le mieux aux circuits à ruban à des fréquences d'ondes millimétriques? Un exemple est le stratifié rogersâ ro3003â, un composite de polytétrafluoroéthylène (PTFE) chargé de céramique. La constante diélectrique de l'ensemble du matériau est maintenue à 3,00 ± 0,04 près, avec la cohérence requise pour un circuit de bande d'ondes millimétriques de Radar automobile de 77 GHz. Le stratifié ro3003 a un DF aussi bas que 00010 à 10 GHz et une excellente stabilité en température. Dans le même temps, le matériau a également un coefficient de dilatation thermique (CTE) cohérent sur les trois axes. La conformité cte garantit que les très petits pores dans la ligne de ruban de fréquences millimétriques peuvent rester intacts et élevés sur toute la plage de température. Fiabilité