Tecnología de microondas - Elija el material de placa de circuito adecuado para reducir el tamaño del Circuito de radiofrecuencia

Elija el material de placa de circuito adecuado para reducir el tamaño del Circuito de radiofrecuencia

Con el aumento de la demanda de movilidad y portabilidad de dispositivos electrónicos, la miniaturización de los circuitos se ha vuelto cada vez más importante. Antes de comenzar a diseñar productos electrónicos, la selección del material adecuado de la placa de circuito ayudará a diseñar placas de circuito de radiofrecuencia y microondas más pequeñas. Para un rango de frecuencia dado, el uso de materiales de placa de circuito con una constante dieléctrica más alta (dk) generalmente hace que el tamaño de diseño y la estructura del circuito sean más pequeños. Sin embargo, el uso de placas con valores DK más altos aumentará la pérdida de inserción del circuito y también puede reducir el rendimiento de otros aspectos del circuito. Al mismo tiempo, el valor DK del material de la placa de circuito también afectará los parámetros del índice de refracción del circuito, como la pérdida de radiación, la dispersión, el acoplamiento, etc.

Para una frecuencia dada, la longitud de onda en el medio disminuirá a medida que aumente el material de la placa de circuito dk, lo que hará que el tamaño del circuito diseñado en el material de la placa de circuito con un valor DK más alto sea menor que el tamaño del circuito diseñado en el circuito con un valor DK más bajo. Además, los materiales de placas de circuito con valores DK más altos también reducirán la velocidad de fase de las ondas electromagnéticas (em) que pasan por estos materiales. El DK del material de la placa de circuito es generalmente un valor medido a 10 GHz a lo largo de la dirección del eje Z del material, es decir, la dirección del espesor. El valor DK del eje Z del material de placa de circuito comercial puede ser tan alto como 10 (o más) o tan bajo como 2 (en comparación con el aire donde DK es igual a 1). Pero objetivamente hablando, pero generalmente el valor DK es de 6 o más, se puede considerar una placa de constante dieléctrica alta.

Las líneas de transmisión hechas de materiales de placas de circuito con valores DK más bajos tienen velocidades de fase más rápidas. Para la miniaturización de circuitos sensibles a la fase, como las antenas de matriz por fases, se debe considerar la influencia de dk. Además, los materiales de placas de circuito con valores DK más altos muestran una mayor dispersión que las placas de circuito con valores DK más Bajos. Los materiales de placas de circuito con valores DK más altos se utilizan generalmente en acopladores direccionales y otros circuitos que requieren un mayor coeficiente de acoplamiento.

En el caso de dk, el material de la placa de circuito suele ser isotrópico. Aunque los valores de DK de los materiales en los tres ejes son diferentes, las personas generalmente están acostumbradas a compararlos en función de la DK del material en la dirección del eje Z. Para los materiales con valores DK más altos, la diferencia DK entre el eje Z del circuito y el plano X - y suele ser mayor que para los materiales con valores DK más Bajos. Los valores DK de las tres dimensiones del material de la placa de circuito determinarán conjuntamente el rendimiento de las líneas de transmisión fabricadas en el material, como las líneas de microstrip. Para muchas placas de circuito de alta frecuencia, generalmente no es necesario considerar la heterogeneidad del material de la placa de circuito dk, pero la heterogeneidad trae algunos problemas potencialmente desconocidos, especialmente cuando el valor de DK en el plano XY es muy diferente del valor de DK en el eje Z. Esta diferencia puede causar problemas inesperados en los circuitos de acoplamiento paralelo de borde, ya que el acoplamiento depende en gran medida de los valores DK en el plano X - Y.

Al tratar de miniaturizar el circuito, la forma más fácil de pensar es minimizar el espesor del material de la placa de circuito, pero el espesor del material de la placa de circuito afectará a muchos indicadores de rendimiento del Circuito de alta frecuencia. Aunque la pérdida de radiación de los circuitos de alta frecuencia aumenta con el aumento de la frecuencia, cuando el valor DK es el mismo, los materiales de placa de circuito más gruesos también mostrarán una mayor pérdida de radiación de los materiales de placa de circuito más delgados. Para el diseño y diseño del circuito dado, la elección de DK también afectará la magnitud de la pérdida de radiación, ya que la pérdida de radiación del material de la placa de circuito con un valor DK más alto es menor que la pérdida de radiación de la placa de circuito con un valor DK más bajo.

El uso de materiales de placas de circuito más delgados es beneficioso para circuitos que pueden causar interferencia resonante o dispersa (por ejemplo, entre circuitos en PCB multicapa). El grado de dispersión de la resonancia suele depender del tipo de línea de transmisión en el circuito. Por ejemplo, las líneas de transmisión de MICROSTRIP suelen ser más vulnerables a los problemas de resonancia y propagación que otros tipos de líneas de transmisión de radiofrecuencia / microondas (como las líneas de banda, las líneas de transmisión de cpw de guía de onda coplanar). El material más delgado de la placa de circuito puede ayudar a reducir el tamaño del pcb, al tiempo que limita la pérdida de radiación y los problemas de propagación de la línea de transmisión, como la resonancia y la intermodalidad. La experiencia de ingeniería común es el uso de materiales de placas de circuito con una longitud de onda más delgada que una cuarta parte de la frecuencia de funcionamiento más alta del circuito. Pero la forma más segura es elegir un material de placa de circuito con un grosor inferior a una octava parte de la longitud de onda de la frecuencia de trabajo más alta.

El ancho de la línea de transmisión (como la línea microstrip) dependerá del grosor del material de la placa de circuito (como el laminado del circuito o el prepreg). El circuito con un sustrato más grueso ensanchará el ancho del conductor, reduciendo así la pérdida del conductor y la pérdida de inserción del circuito. Sin embargo, en este caso, puede haber algunos problemas de propagación de ondas electromagnéticas. Para elegir el grosor del material de la placa de circuito adecuado para el diseño de la placa de alta frecuencia, el ancho general del conductor también debe ser inferior a una octava parte de la longitud de onda de la frecuencia de trabajo más alta. El DK del material de la placa de circuito juega un papel importante en la determinación del ancho del conductor de la línea de transmisión, ya que la resistencia del conductor del mismo tamaño diseñado en el material de la placa de circuito de alta DK es menor que la del mismo Circuito en el material de la placa de circuito de baja dk. Por lo tanto, para mantener la resistencia característica del Circuito en 50 μc, el circuito diseñado en un material de placa de circuito con un valor DK más alto será más estrecho.

Una elección sabia

Al diseñar un circuito utilizando materiales de placa de circuito con diferentes valores dk, hay que tener en cuenta muchas compensaciones. El uso de materiales de placas de circuito de alto DK no solo puede reducir el tamaño del circuito, sino también lograr circuitos miniaturizados de alto rendimiento combinando materiales de placas de circuito de alto DK y bajo dk. Por ejemplo, un filtro de paso de banda compuesto por una unidad de resonancia cuyo tamaño depende del DK del material de la placa de circuito. Debido a la distancia entre cada unidad de filtro, se determina la intensidad de acoplamiento en el circuito afectado por el material de la placa de circuito dk. El material de la placa de circuito con un DK alto proporciona un acoplamiento más fuerte y permite más espacio entre las unidades de resonancia del filtro.

Para verificar las ventajas del uso de materiales de placas de circuito con diferentes valores de DK (combinando materiales con diferentes valores de DK en componentes compuestos), se diseñó un filtro de paso de banda en materiales compuestos de placas de circuito de DK alta y baja. El material de alta DK utilizado en este filtro es un laminado de circuito RT / durroid ® 6010.2lm, con un valor de DK de 10,7; El material de baja DK utilizado es un prepreg 2929 con un valor de DK de 2,9. Ambos materiales provienen de rogers. Debido a que los materiales de placas de circuito con diferentes valores DK traerán diferencias en el rendimiento del circuito, se necesitan simulaciones por computadora para determinar la relación necesaria entre los dos grosores de materiales diferentes a través del modelado. Este método de modelado puede ayudarnos a diseñar un filtro compuesto perfecto. Los resultados experimentales muestran que el tamaño del filtro diseñado por el material compuesto no solo mantiene el tamaño de un solo material de alta dk, sino que también mejora las propiedades eléctricas. Por ejemplo, la resonancia armónica de alto orden se reduce significativamente y las características de bloqueo del filtro también aumentan significativamente. Los estudios han demostrado que al utilizar una variedad de materiales de placa de circuito en el circuito, generalmente se puede lograr la miniaturización del circuito sin sacrificar el rendimiento.