Tecnologia RF - Come scegliere il materiale PCB adatto per i sistemi di comunicazione satellitare?

Lo spazio può essere l'ultimo territorio esplorativo dell'umanità, ma i satelliti orbitanti che forniscono comunicazioni satellitari (satcom) alla terra e alla sua infrastruttura ausiliaria sembrano ancora così lontani. Per le apparecchiature elettroniche, lo spazio può essere uno dei suoi peggiori ambienti di lavoro e i vari componenti del satellite non devono fallire. I sistemi di comunicazione satellitare richiedono materiale PCB per mantenere eccellenti prestazioni e alta affidabilità in ambienti difficili e in orbita. Pochi materiali PCB possono soddisfare i requisiti esigenti e impegnativi dei sistemi satellitari e solo quei materiali PCB con caratteristiche speciali possono essere competenti.

Che tipo di materiale PCB può soddisfare l'ambiente di lavoro nello spazio? Per i satelliti che lavorano in un ambiente vuoto, il basso tasso di uscita del materiale PCB è una condizione cruciale. La velocità di uscita è il rilascio di gas intrappolati in solidi, come quelli nel materiale PCB. Una volta rilasciato il gas, può condensarsi sulle superfici di diversi dispositivi nel satellite, causando malfunzionamenti nei circuiti e nei sistemi.

Di solito il processo di deflazione è molto lento, richiede molto tempo e richiede un rilevamento preciso per determinare la quantità di deflazione del materiale PCB. L'American National Standards Institute (ANSI) ha sviluppato un metodo di prova per la velocità di uscita e lo ha definito nella norma ANSI/ASTM E595-84. La National Aeronautics and Space Administration (NASA) utilizza questo standard in combinazione con il suo metodo di prova interno SP-R-022A per testare il cambiamento di qualità del materiale dopo il gas in condizioni di vuoto per valutare la velocità di rilascio del gas.

La serie TMM di materiale PCB termoindurente ha dimostrato di essere applicabile ai sistemi di comunicazione satellitare che richiedono alta affidabilità. È composto da una serie di ceramiche, idrocarburi e polimeri termoindurenti. La sua costante dielettrica (valore Dk) nella direzione dell'asse z (direzione dello spessore) varia da 3,27 a 12,85, e le sue eccellenti caratteristiche sono molto adatte per satelliti in orbita e ambienti di lavoro altrettanto impegnativi.

Oltre alle condizioni di vuoto, il materiale PCB nello spazio deve essere in grado di essere applicato a varie temperature estreme oltre le applicazioni convenzionali. L'ambiente spaziale è solitamente freddo e buio. Quando il satellite è all'ombra della terra, la temperatura ambiente sarà piuttosto bassa perché non vi è alcuna regolazione atmosferica. Al contrario, quando il satellite è esposto alla luce solare, l'ambiente operativo del satellite può raggiungere la temperatura di una stufa. I satelliti in orbita continuano a circolare a temperature così estreme. Sia nell'applicazione di satelliti geostazionari o satelliti geostazionari, porterà un grande shock di temperatura al materiale del circuito stampato, quindi il materiale PCB deve avere proprietà termiche particolarmente buone.

Come misurare se il materiale PCBè è adatto per i satelliti? Uno degli indicatori caratteristici chiave è: il tasso di cambiamento della costante dielettrica del materiale PCB con la temperatura di esercizio. Idealmente, il materiale PCB utilizzato nello spazio può non solo essere adatto per un ampio intervallo di temperatura, ma anche avere cambiamenti molto piccoli nella costante dielettrica all'interno di questo intervallo di temperatura. Il coefficiente di temperatura della costante dielettrica (TCDk) del materiale PCB può chiaramente riflettere la stabilità del materiale. In sistemi commerciali, industriali, militari e ambienti spaziali, il materiale PCB deve resistere a grandi fluttuazioni di temperatura. L'impedenza caratteristica della maggior parte delle linee di trasmissione ad alta frequenza utilizzate nelle comunicazioni satellitari è 50Ω. I cambiamenti nella costante dielettrica del materiale PCB causeranno cambiamenti nell'impedenza caratteristica, portando a differenze nelle prestazioni del circuito, come cambiamenti nelle caratteristiche di ampiezza e fase.

Nelle applicazioni del circuito spaziale, è molto necessario utilizzare materiale PCB con un basso coefficiente di temperatura della costante dielettrica (TCDk), che può ridurre i cambiamenti di prestazione causati dal cambiamento di temperatura della costante dielettrica. La gamma di temperatura di lavoro della progettazione del materiale TMM può essere da -55Â ° C a +125Â ° C, che può far fronte alla temperatura estrema dei satelliti nell'ambiente spaziale. Sotto temperatura estrema, la costante dielettrica di questo materiale PCB cambia molto poco. Per il materiale TMM con il valore costante dielettrico più basso, la costante dielettrica aumenterà leggermente; per il materiale TMM con un valore costante dielettrico di 6 o superiore, la costante dielettrica La costante diminuirà leggermente.

Ad esempio, per un laminato TMM3 con una costante dielettrica di 3,27 nella direzione dell'asse z (spessore) ad una frequenza di 10 GHz, il TCDk è molto basso, solo +37 ppm/°K. Un altro materiale PCB TMM la cui costante dielettrica cambia nella direzione positiva è il laminato TMM4, che ha una costante dielettrica di 4,50 sull'asse z ad una frequenza di 10 GHz. La diminuzione della costante dielettrica del materiale PCB TMM6 con temperatura è quasi trascurabile. La sua costante dielettrica in direzione dell'asse z è di 6,00 e ha un TCDk estremamente basso di -11 ppm/°K. Generalmente, il materiale PCB con un valore assoluto di TCDk inferiore o uguale a 50 ppm/°K è considerato avere caratteristiche di temperatura abbastanza buone.

La serie TMM di materiale PCB fornisce ai progettisti di circuiti un'ampia gamma di valori di permittività selezionabili. I progettisti possono realizzare miniaturizzazione del circuito e risparmiare spazio scegliendo il valore costante dielettrico del materiale PCB. Ciò può essere ottenuto utilizzando un materiale PCB con un valore costante dielettrico più elevato (la dimensione del circuito di un circuito con un materiale PCB a basso valore costante dielettrico è relativamente grande quando la linea di trasmissione ha lo stesso circuito di impedenza caratteristico). Di solito il prezzo di tale miniaturizzazione del circuito è il materiale leggermente più povero TCDk, anche se questo non è il caso con il materiale TMM con valori costanti dielettrici più elevati. Ad esempio, il materiale TMM10 ha un valore costante dielettrico dell'asse z di 9,20 a 10 GHz, che ha un valore TCDk inferiore a -38 ppm/°K. Per ottenere miniaturizzazione estrema, la costante dielettrica del materiale PCB TMM13i nell'asse z è 12,85 e il suo valore TCDk è -70 ppm / °K, che è ancora accettabile.

Il materiale PCB TMM13i è altamente isotropo e i suoi valori costanti dielettrici nei tre assi direzionali (X, Y, Z) sono tutti vicini a 12,85. La maggior parte dei materiali sono anisotropi, e la costante dielettrica dell'asse z è diversa dai valori costanti dielettrici dell'asse x e y. Per la maggior parte dei circuiti, come i circuiti microstrip e stripline, la preoccupazione principale è la costante dielettrica nella direzione dell'asse z, perché la maggior parte del campo elettromagnetico (EM) di queste linee di trasmissione passa attraverso questa direzione del materiale. Ma per i circuiti con campi EM nel piano x-y, il materiale isotropico può fornire prestazioni prevedibili. Per i circuiti che hanno bisogno di utilizzare materiale isotropico, il materiale TMM10i ha migliori proprietà isotropiche ed è una versione aggiornata del materiale standard TMM10. Il valore costante dielettrico dell'asse z del materiale TMM10i è leggermente superiore a quello del materiale TMM10. TMM10i ha una costante dielettrica dell'asse z di 9,80 ad una frequenza di 10GHz e il materiale TMM10 è 9,20.

I cambiamenti di temperatura svolgono un ruolo decisivo nella scelta del materiale PCB utilizzato nello spazio e un altro parametro chiave a cui i progettisti di circuiti si preoccupano è il coefficiente di espansione termica (CTE) del materiale PCB. CTE può essere utilizzato per misurare i cambiamenti dimensionali del materiale PCB durante il riscaldamento e il raffreddamento. Poiché la maggior parte dei materiali PCB si espanderà e si contrarrà in una certa misura, i materiali con un CTE di 0 ppm/°K sono molto rari. Idealmente, il valore CTE dovrebbe essere il più basso possibile o vicino al valore del materiale conduttivo, come il foglio di rame che copre il materiale PCB (CTE è di circa 17 ppm/°C), in modo che il mezzo e il foglio di rame a contatto con il foglio di rame possano produrre i cambiamenti più piccoli con la temperatura. Stress. Il valore CTE del materiale TMM sui tre assi (X, Y, Z) varia da 15 a 26 ppm/°K, che è abbastanza vicino al rame. Pertanto, anche in un ambiente satellitare con un ampio intervallo di temperatura, il suo circuito ha ancora un'elevata affidabilità.