Leiterplattentechnisch - Welcher Verlust wird in der Leiterplattenübertragungsleitung auftreten

Die Leiterplattenübertragungsleitung enthält mindestens zwei Drähte – eine für das Signal und die andere für den Rückweg. Der Komplex Leiterplatte Netz ist eine Kombination aus dieser einfacheren Übertragungsleitungsstruktur. Aus der Perspektive des Leiterplattendesigns, understanding these structures (microstrip, Striplin, and coplanar) is beneficial to designers and manufacturers.

Was ist der Verlust der Übertragungsleitung?

Die Übertragungsleitungsstruktur hat unterschiedliche Verlustmechanismen. Der Gesamtverlust der Leiterplattenübertragungsleitung wird als Einfügedämpfung (αt) bezeichnet. Es ist die Summe der Leiterverluste (αc), dielektrischen Verluste (αd), Strahlungsverluste (αr) und Leckageverluste (αl).

αt,αc±d,αr,αl

Der Effekt von Leckage ist vernachlässigbar, da PCB einen sehr hohen Volumenwiderstand hat. Strahlungsverlust ist die Energie, die durch Hochfrequenzstrahlung aus dem Stromkreis verloren geht. Dieser Verlust hängt von Frequenz, Dielektrizitätskonstante (Dk) und Dicke ab. Für eine bestimmte Übertragungsleitung wird der Verlust bei höheren Frequenzen viel höher sein. Bei gleicher Schaltung, wenn ein dünneres Substrat und ein höherer Dk-Wert verwendet werden, ist der Strahlungsverlust geringer.

In diesem Artikel, we will only discuss the transmission line Verlust related to the conductor loss (αc) caused by the signal trace resistance and the dielectric loss (αd) caused by the PCB-Dielektrikum, Letzteres mit der Verlusttangente/Ableitungsfaktor zu messen.

αt,αc±d

Charakteristischer Impedanz- und Verlustmechanismus

In unserer vorherigen PCB-Übertragungsleitungsserie haben wir Ihnen die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung gegeben (es ist die Impedanz, die vom Signal gesehen wird und nichts mit der Frequenz zu tun hat):

R Neigungsleiterwiderstand pro Längeneinheit (pul)

L; die Induktivität des Leitungsleiterschleifenpuls

G geringfügige Leitfähigkeit zwischen Signalweg und Rückweg (aufgrund des Dielektrikums) pul

C. die Kapazität Pul zwischen dem Signalweg und dem Rückweg (sie steigt mit dem Dk des Dielektrikums)

Für eine einheitliche Übertragungsleitung sind R, L, G und C an jedem Punkt gleich, so dass Zc an jedem Punkt der Übertragungsleitung den gleichen Wert hat.

Für ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von f (Ï­2πf), das sich entlang der Leitung ausbreitet, werden die Spannungs- und Stromausdrücke an verschiedenen Punkten und Zeiten angegeben durch:

wobei α und β die realen und imaginären Teile des PCB-Übertragungsleitungsverlustes sind, gegeben durch die folgende Formel:

Bei den Frequenzen, an denen wir interessiert sind, R<

Und: der Verlust der PCB-Übertragungsleitung zu:

Dies bedeutet, dass eine Welle den Verlust einer Leiterplattenübertragungsleitung mit einer Ausbreitungsverzögerung pro Längeneinheit ausbreitet und dämpft, wenn sie sich entlang der Leitung ausbreitet.

Der Signaldämpfungskoeffizient einer Übertragungsleitung der Länge l beträgt:

Der Dämpfungs- oder Signalverlustfaktor wird in der Regel in dB ausgedrückt.

Daher ist der dB-Verlust proportional zur Linienlänge. Daher können wir das oben genannte als dB Verlust pro Einheitslänge ausdrücken:

Wir lassen normalerweise das Minuszeichen weg und denken daran, dass es sich um einen dB-Verlust handelt – immer von der Signalstärke in dB subtrahiert.

Das obige wird auch als die gesamte Einfügedämpfung pro Längeneinheit der Übertragungsleitung bezeichnet, geschrieben wie:

Nun ist die Verlustkomponente R/Z0 proportional zu R (Widerstand pro Einheitslänge), die Leiterverlust genannt wird und durch den Widerstand des Leiters verursacht wird, der die Übertragungsleitung bildet. Sie wird vertreten durch'alfa'C. Der Verlust des GZ0-Teils ist proportional zu G-der Leitfähigkeit des dielektrischen Materials, genannt dielektrische Verlust – bezeichnet durch "alfa" d.

Wo R der Widerstand des Leiters pro Zoll ist.

Nun befinden sich zwei Leiter in der Leiterplattenübertragungsleitung – die Signalspur und der Rückweg.

Normalerweise ist der Rücklaufweg eine flache Oberfläche, jedoch ist der Rücklaufstrom nicht gleichmäßig auf der flachen Oberfläche verteilt – wir können nachweisen, dass der größte Teil des Stroms auf einem Streifen konzentriert ist, der dreimal die Breite der Signalspur ist, direkt unterhalb der Signalspur.

Widerstand der Signalspuren in Leiterplatten-Übertragungsleitungen

Teilt die gesamte Querschnittsfläche der Signalspur gleichermaßen am Signalstrom? Die Antwort ist: Nicht immer der Fall – es hängt von der Frequenz des Signals ab.

Bei sehr niedrigen Frequenzen bis etwa 1MHz können wir davon ausgehen, dass der gesamte Leiter am Signalstrom teilnimmt, also ist Rsig derselbe wie der "alpha" C Widerstand der Signalspur, nämlich:

ρ = Kupferwiderstand im Ohms-Zoll Verlust der PCB-Übertragungsleitung

W-Spurbreite in Zoll (zum Beispiel: 5 mils oder 0,005" Spur 50 ohms)

T-Spurdicke in Zoll (normalerweise ½ oz bis 10oz, das heißt 0.0007" bis 0.0014")

Zum Beispiel für eine 5-mil breite Spur:

Für unsere Zwecke interessieren wir uns für Wechselstromwiderstand bei Frequenz f. Hier tritt der Skin-Effekt ins Bild. Entsprechend dem Skin-Effekt breitet sich der Strom mit Frequenz f nur auf eine bestimmte Tiefe aus, die als Hauttiefe des Leiters bezeichnet wird

Wir können oben sehen, dass bei 4MHz die Hauttiefe gleich 1oz Kupferdicke ist und bei 15MHz gleich ½ oz Kupferdicke. Über 15MHz ist die Tiefe des Signalstroms nur kleiner als 0.7 mils, und es nimmt immer wieder ab, wenn die Frequenz steigt.

Da wir uns hier auf Hochfrequenzverhalten konzentrieren, können wir sicher annehmen, dass T bei der Frequenz des Interesses größer ist als die Hauttiefe, also werden wir Hauttiefe anstelle von T in der Signalwiderstandsformel verwenden. So haben wir jetzt:

Wir verwenden 2δ statt δ, da der Strom technisch die gesamte Peripherie des Leiters nutzt, kann 2W durch 2(W+T) ersetzt werden.

Das Rücksignal breitet sich nur mit einer Dicke δ entlang der Oberfläche aus, die der Signalspur am nächsten ist, und sein Widerstand kann wie folgt angenähert werden:

Erhöhter Leiterverlust durch Kupferoberflächenrauhigkeit an der Leiter-dielektrischen Schnittstelle

Es ist wichtig zu wissen, dass in der Leiterplatte, the "copper conductor-dielectric interface" is never smooth (if it is smooth, the copper conductor is easily peeled from the dielectric surface); it is roughened into a tooth-like structure to increase the circuit The peel strength of the conductor on the board.