Tecnología de microondas - Pérdida de inserción de la línea MICROSTRIP de PCB ro4350b a 24 GHz

Los ingenieros de diseño de PCB de alta frecuencia suelen seleccionar materiales de PCB de alta frecuencia desde los siguientes aspectos.

1. baja constante dieléctrica

2. bajo coeficiente de pérdida

3. estabilidad de la frecuencia

4. inflación y contracción estables

5. costo de los PCB (costo de los materiales, costo de diseño, prueba y fabricación)

El ro4350b, producido por rogers, es un laminado de resina de hidrocarburos de baja pérdida y relleno cerámico y material de hoja semicurada, con excelentes propiedades de alta frecuencia (generalmente se puede aplicar por debajo de 30 ghz). Debido a que el ro4350b se procesa con la tecnología de procesamiento estándar de resina epoxi / vidrio (fr - 4), el costo de procesamiento de su línea de producción también es bajo. Se puede decir que el ro4350b ha logrado la optimización de costos y propiedades de alta frecuencia, y es el material de alta frecuencia de baja pérdida más rentable. Para cumplir mejor con los requisitos de diseño, al diseñar la antena de matriz de microstrip, probamos la pérdida de inserción de la línea de transmisión de MICROSTRIP basada en el material ro4350b a 24 ghz.

Análisis de la pérdida de inserción de la línea MICROSTRIP

La pérdida de inserción de la línea de MICROSTRIP incluye principalmente la pérdida del conductor, la pérdida dieléctrica, la pérdida de ondas superficiales y la pérdida de radiación, de las cuales la pérdida del conductor y la pérdida dieléctrica son las principales pérdidas. El efecto cutáneo hace que la corriente de alta frecuencia en la línea de MICROSTRIP se concentre en la capa delgada de la banda conductora y en el suelo de tierra que entra en contacto directo con el sustrato dieléctrico, y la resistencia eléctrica de corriente alterna equivalente es mucho mayor que la de baja frecuencia. Cuando la frecuencia de funcionamiento es inferior a 10 ghz, la pérdida del conductor de la línea de MICROSTRIP es mucho mayor que la pérdida dieléctrica. Cuando la frecuencia de funcionamiento aumenta a 24 ghz, la pérdida dieléctrica supera la pérdida del conductor.

Resultados del cálculo de hfss de la pérdida de inserción de la línea MICROSTRIP

Para la pérdida de inserción de las líneas de MICROSTRIP de diferentes longitudes calculadas por hfss, el sustrato dieléctrico es ro4350b y el espesor es de 20 milímetros. Como se puede ver en la imagen de arriba, la pérdida de inserción de la línea de MICROSTRIP es de aproximadamente 17 DB / m, de los cuales la pérdida de metal, la pérdida dieléctrica y otras pérdidas son de 4,47 dBm / m, 11,27 dBm / M y 1,26 dBm / m, respectivamente. Para la comparación, la Tabla 1 muestra la pérdida de inserción de la línea de MICROSTRIP calculada a través de mwi2016. Se puede ver que en las mismas condiciones, el valor de cálculo de MWI es de 24,4 db, de los cuales el valor de pérdida dieléctrica es cercano, pero el valor de pérdida del conductor es de 7 db. La diferencia se debe a que en el modelo hfss no se tiene en cuenta la rugosidad superficial de la correa guía y el suelo.

Medidas para reducir la pérdida de inserción de la línea de MICROSTRIP

1. elija razonablemente el grosor de la placa y reduzca la capa de resistencia de soldadura

Para las líneas de MICROSTRIP con la misma resistencia característica, la pérdida del conductor disminuye con el aumento del espesor del medio, mientras que la pérdida dieléctrica se mantiene básicamente sin cambios. La razón es que cuanto más grueso es el sustrato dieléctrico, más estrecho es el ancho de la línea de microstrip, más concentrada es la corriente de alta frecuencia y mayor es la pérdida del conductor. Cabe señalar que el mayor ángulo de corte de pérdida del medio de máscara de soldadura a 24 GHz aumentará la pérdida de inserción de la línea de microstrip. Por lo tanto, al diseñar una antena MICROSTRIP de 24 ghz, es necesario soldar y abrir ventanas en el área de la antena.

2. lámina de cobre lopro preferida

La rugosidad de la superficie de la lámina de cobre de la barra guía y el suelo también es un factor importante que afecta la pérdida de inserción de la línea de microstrip. Cuanto más suave sea la superficie de la lámina de cobre, menor será la pérdida del conductor. El ro4350b ofrece láminas de cobre electrolíticas (ed) y láminas de cobre de tratamiento inverso de baja rugosidad (lopro). La rugosidad de la superficie de la lámina de cobre ed es de aproximadamente 3 um, y la lámina de cobre lopro puede alcanzar 0,4 um, por lo que puede reducir efectivamente la pérdida del conductor. El espesor del sustrato dieléctrico es de 0,1 mm en comparación con la pérdida de inserción de las dos láminas de cobre. a 24 ghz, la pérdida de inserción de la línea MICROSTRIP de lámina de cobre lopro es un 40% menor que la pérdida de inserción de la lámina de cobre ed.

Comparación de la pérdida de inserción entre el Cobre electrolítico y el cobre inverso

3. selección racional del proceso de tratamiento de superficie

El proceso de tratamiento de superficie también es uno de los factores que afectan la pérdida del conductor. Hay cuatro procesos comunes de tratamiento de superficie, incluyendo precipitación de plata, precipitación de oro (níquel - oro), precipitación de níquel - oro (níquel 3 - 5 um, oro 2,54 - 7,62 um) y precipitación de Estaño. La tabla 2 muestra los parámetros eléctricos de estos metales, en los que el níquel es un material ferromagnético con una constante dieléctrica de 600. Según la fórmula de cálculo de la profundidad de la piel, la profundidad de la piel del níquel es un orden de magnitud menor que la de otros metales, por lo que la resistencia superficial del níquel es decenas de veces mayor que la de otros metales, lo que resulta en una pérdida de conductores mucho mayor en el proceso de níquel - oro que en otros procesos. Debido a la pérdida de inserción de los procesos de tratamiento de superficie de cobre desnudo, precipitación de plata y níquel - oro, el espesor del sustrato es de 20 milímetros. Como se puede ver en la imagen, la pérdida de inserción del proceso de deposición de plata es similar a la del cobre desnudo, pero la pérdida de inserción de la línea de MICROSTRIP después del tratamiento de superficie de níquel - oro es mayor en 4db / M (10 ghz), lo que puede predecir que será mayor a 24 ghz.

Comparación de la pérdida de inserción entre el proceso de níquel - oro y el proceso de cobre desnudo

Cuando diseñamos una antena de MICROSTRIP de 24 GHz o un circuito de MICROSTRIP utilizando un sustrato dieléctrico ro4350b, necesitamos considerar el grosor de la placa dieléctrica, el tipo de chapado en cobre y el proceso de tratamiento de superficie de acuerdo con los requisitos de rendimiento y costo. Esta conclusión se aplica igualmente a la mayoría de los materiales de las series Rogers ro4000 y ro3000.