Mikrowellen-Technik - Auswahl des richtigen Leiterplattenmaterials, um die Größe der HF-Schaltung zu reduzieren

Auswahl des richtigen Leiterplattenmaterials, um die Größe der HF-Schaltung zu reduzieren

Mit der steigenden Nachfrage nach Mobilität und Portabilität elektronischer Geräte, Die Miniaturisierung von Schaltungen wird immer wichtiger. Bevor Sie mit der Entwicklung elektronischer Produkte beginnen, Auswahl eines geeigneten Leiterplatte Material wird helfen, kleinere HF und Mikrowellen-Leiterplatte. Für einen bestimmten Frequenzbereich, die Verwendung eines Leiterplatte material with a higher dielectric constant (Dk) usually makes the Design size and structure of the circuit smaller. Allerdings, Die Verwendung von Platten mit einem höheren Dk-Wert erhöht die Einfügedämpfung der Schaltung und kann auch die Leistung anderer Aspekte der Schaltung verringern. Zur gleichen Zeit, der Dk-Wert des Leiterplatte Material beeinflusst auch die Indexparameter der Schaltung, wie Strahlenverlust, Dispersion, Kupplung, und so weiter.

Für eine gegebene Frequenz nimmt die Wellenlänge im Medium mit der Zunahme des Leiterplattenmaterials Dk ab, was zu einer Schaltungsgröße führt, die auf einem Leiterplattenmaterial mit einem höheren Dk-Wert ausgelegt ist als eine Schaltung mit einem niedrigeren Dk-Wert Die Schaltungsgröße, die auf dem Leiterplattenmaterial ausgelegt ist, ist kleiner. Darüber hinaus reduzieren Leiterplattenmaterialien mit höheren Dk-Werten auch die Phasengeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen (EM), die diese Materialien durchlaufen. Der Dk des Leiterplattenmaterials ist normalerweise ein Wert, der in der z-Achsenrichtung (dh, Dickenrichtung) des Materials bei 10 GHz gemessen wird. Der Z-Achse Dk-Wert von kommerziellen Leiterplattenmaterialien kann so hoch wie 10 (oder höher) oder so niedrig wie 2 (verglichen mit Luft mit Dk gleich 1) sein. Aber objektiv gesehen, aber normalerweise mit einem Dk-Wert von 6 oder höher, kann es als eine hohe dielektrische Konstante Blatt betrachtet werden.

Die Übertragungsleitung aus Leiterplattenmaterial mit niedrigerem Dk-Wert hat eine schnellere Phasengeschwindigkeit. Für die Miniaturisierung phasensensibler Schaltkreise (wie Phased Array Antennen) muss der Einfluss von Dk berücksichtigt werden. Darüber hinaus weist ein Leiterplattenmaterial mit einem höheren Dk-Wert eine größere Dispersion auf als ein Leiterplattenmaterial mit einem niedrigeren Dk-Wert. Leiterplattenmaterialien mit höheren Dk-Werten werden normalerweise in Richtkopplern und anderen Schaltungen verwendet, die höhere Kopplungskoeffizienten erfordern.

Was Dk betrifft, Leiterplatte Materialien sind in der Regel anisotrop. Obwohl die Dk-Werte der Materialien auf den drei Achsen unterschiedlich sind, Personen werden normalerweise verwendet, um sie basierend auf dem Dk-Wert des Materials in der z-Achse Richtung zu vergleichen. Für Materialien mit höheren Dk-Werten, Der Unterschied in Dk zwischen der z-Achse und der x-y-Ebene der Schaltung ist oft größer als bei Materialien mit niedrigeren Dk-Werten. Die Dk-Werte in allen drei Dimensionen der Leiterplatte material will jointly determine the performance of the transmission line (such as the microstrip line) made on the material. Für viele Hochfrequenz-Leiterplatte, Es ist in der Regel nicht notwendig, die Anisotropie der Leiterplatte Material Dk, Aber Anisotropie bringt einige mögliche unbekannte Probleme mit sich, Besonders wenn der Dk-Wert der xy-Ebene und der Dk auf der z-Achse Wenn die Werte stark voneinander abweichen. Dieser Unterschied kann unerwartete Probleme im randparallelen Kupplungskreis verursachen, weil die Kopplung stark vom Dk-Wert auf der x-y-Ebene abhängt.

Beim Versuch, die Schaltung zu miniaturisieren, ist der einfachste Weg zu denken, die Dicke des Leiterplattenmaterials zu minimieren, aber die Dicke des Leiterplattenmaterials beeinflusst die Leistung mehrerer Indikatoren der Hochfrequenzschaltung. Obwohl der Strahlungsverlust von Hochfrequenzschaltungen mit der Frequenz zunimmt, weisen dickere Leiterplattenmaterialien auch höhere Strahlungsverluste auf als dünnere Leiterplattenmaterialien mit dem gleichen Dk-Wert. Für ein gegebenes Schaltungslayout und Design beeinflusst die Wahl von Dk auch die Größe des Strahlungsverlusts, da der Strahlungsverlust des Leiterplattenmaterials mit einem höheren Dk-Wert geringer ist als der des Leiterplattenmaterials mit einem niedrigeren Dk-Wert.

Für Schaltungen, die Resonanz oder Streuungsstörungen verursachen können (zum Beispiel zwischen Schaltungen in einer mehrschichtigen Leiterplatte), ist es vorteilhaft, ein dünneres Leiterplattenmaterial zu verwenden. Der Grad der Resonanzspuren hängt normalerweise von der Art der Übertragungsleitung in der Schaltung ab. Beispielsweise sind Mikrostreifen-Übertragungsleitungen oft anfälliger für Resonanz- und Ausbreitungsprobleme als andere Arten von HF-/Mikrowellen-Übertragungsleitungen (wie Streifenleitungen, koplanare Wellenleiter-CPW-Übertragungsleitungen). Dünnere Leiterplattenmaterialien können helfen, die Größe der Leiterplatte zu reduzieren und gleichzeitig Strahlungsverluste und Übertragungsleitungsprobleme wie Resonanz und Intermodulation zu begrenzen. Gemeinsame technische Erfahrung besteht darin, ein Leiterplattenmaterial zu verwenden, das dünner als eine Viertelwellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz der Schaltung ist. Aber eine sicherere Methode ist, ein Leiterplattenmaterial zu wählen, das dünner als ein Achtel Wellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz in Bezug auf die Dicke ist.

The line width of a transmission line (such as a microstrip line) will depend on the thickness of the Leiterplatte material (such as a circuit laminate or prepreg material). Schaltungen mit dickeren Substraten erweitern die Leiterbreite, die den Leiterverlust und Einfügungsverlust der Schaltung reduzieren kann. Allerdings, in diesem Fall, Einige Probleme bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen können auftreten. Um die Dicke der Leiterplatte Material geeignet für Hochfrequenzplatte design, Normalerweise sollte die Leiterbreite auch kleiner als ein Achtel Wellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz sein. Der Dk der Leiterplatte Material spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Breite des Übertragungsleitungsleiters, weil die gleiche Größe Leiter auf dem High-Dk Leiterplatte Material hat eine niedrigere Impedanz als die gleiche Schaltung auf dem Low-Dk-Material. Daher, um die Schaltung mit einer charakteristischen Impedanz von 50Ωzu halten, die Schaltung, die auf der Leiterplatte Material mit einem höheren Dk-Wert wird schmaler sein.

Kluge Wahl

Beim Entwurf einer Schaltung mit Leiterplattenmaterialien mit unterschiedlichen Dk-Werten müssen viele Kompromisse berücksichtigt werden. Die Verwendung von High-Dk-Leiterplattenmaterialien kann nicht nur die Leiterplattengröße reduzieren, sondern auch Hochleistungs-miniaturisierte Schaltungen realisieren, indem High-Dk- und Low-Dk-Leiterplattenmaterialien kombiniert werden. Zum Beispiel, ein Bandpassfilter, der aus einer Resonanzeinheit besteht, hängt seine Größe vom Dk des Leiterplattenmaterials ab. Aufgrund des Abstandes zwischen den einzelnen Filtereinheiten wird die Kupplungsstärke in der vom Leiterplattenmaterial Dk betroffenen Schaltung bestimmt. Das Leiterplattenmaterial mit hohem Dk sorgt für eine stärkere Kopplung und ermöglicht mehr Platz zwischen den Filterresonanzeinheiten.

Um die Vorteile der Verwendung zu überprüfen Leiterplatte materials with different Dk values (combining materials with different Dk values into a composite component), Ein Bandpassfilter wurde auf dem Verbundmaterial aus hohem und niedrigem Dk konstruiert Leiterplattes. Das in diesem Filter verwendete High-Dk-Material ist RT/duroid® 6010.2LM Schaltungslaminat mit einem Dk-Wert von 10.7; und das verwendete Low-Dk-Material ist 2929 Prepreg mit einem Dk-Wert von 2.9. Beide Materialien sind von Rogers Corporation . Seit Leiterplatte Materialien mit unterschiedlichen Dk-Werten bringen Unterschiede in der Schaltungsleistung, Computersimulationen sind erforderlich, um das erforderliche Verhältnis zweier unterschiedlicher Materialdicken durch Modellierung zu bestimmen. Diese Modellierungsmethode kann uns helfen, einen perfekten Verbundfilter zu entwerfen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Größe des Filters, der durch Verbundwerkstoffe konstruiert wurde, nicht nur die Größe eines einzelnen High-Dk-Materials beibehält, hat aber auch eine verbesserte elektrische Leistung. . Zum Beispiel, die harmonische Resonanz hoher Ordnung wird deutlich reduziert, und die Stoppbandeigenschaften des Filters wurden ebenfalls deutlich verbessert. Studien haben gezeigt, dass durch die Verwendung von mehr als einem Leiterplatte Material im Kreislauf, Miniaturisierung der Schaltung ist oft ohne Leistungseinbußen möglich.