Technique RF - Choisir le bon matériau de carte pour réduire la taille du circuit RF

Choisir le bon matériau de carte pour réduire la taille du circuit RF

La miniaturisation des circuits devient de plus en plus importante à mesure que le besoin de mobilité et de portabilité des appareils électroniques augmente. Avant de commencer à concevoir des produits électroniques, choisir le bon matériau de carte aidera à concevoir des cartes RF et micro - ondes plus petites. Pour une gamme de fréquences donnée, l'utilisation d'un matériau de carte de circuit avec une constante diélectrique plus élevée (DK) rend généralement le circuit moins dimensionné et moins structuré. Cependant, l'utilisation de plaques avec des valeurs de DK plus élevées augmente les pertes d'insertion du circuit et peut également réduire les performances d'autres aspects du circuit. Dans le même temps, la valeur DK du matériau de la carte affecte également les paramètres d'indice de réfraction du circuit tels que les pertes radiatives, la dispersion chromatique, le couplage, etc.

Pour une fréquence donnée, la longueur d'onde dans le milieu diminuera à mesure que le matériau de carte DK augmentera, ce qui entraînera une taille de circuit plus faible pour les circuits conçus sur des matériaux de carte avec des valeurs de DK plus élevées que pour les circuits conçus sur des valeurs de DK plus faibles. En outre, les matériaux de carte de circuit imprimé avec des valeurs de DK plus élevées peuvent également réduire la vitesse de phase des ondes électromagnétiques (EM) traversant ces matériaux. Le DK du matériau de la carte est typiquement une valeur mesurée à 10 GHz dans la direction de l'axe Z du matériau, c'est - à - dire dans le sens de l'épaisseur. Les matériaux de carte de circuit imprimé du commerce peuvent avoir des valeurs de DK d'axe Z aussi élevées que 10 (ou plus) ou aussi faibles que 2 (par rapport à l'air où DK est égal à 1). Mais objectivement, mais généralement avec une valeur de DK de 6 ou plus, on peut considérer qu'il s'agit d'une feuille à haute permittivité.

Les lignes de transmission en matériau de carte de circuit avec une valeur de DK inférieure ont des vitesses de phase plus rapides. Pour la miniaturisation de circuits sensibles à la phase tels que les antennes à réseau phasé, l'influence de DK doit être prise en compte. En outre, les matériaux de carte à haute valeur DK présentent une plus grande dispersion que les matériaux de carte à faible valeur DK. Les matériaux de carte avec des valeurs de DK plus élevées sont généralement utilisés dans les coupleurs directionnels et autres circuits nécessitant des coefficients de couplage plus élevés.

En ce qui concerne DK, le matériau de la carte est généralement anisotrope. Bien que les valeurs de DK des matériaux diffèrent sur les trois axes, il est souvent habituel de les comparer en fonction de la DK des matériaux dans la direction de l'axe Z. La différence de DK entre l'axe Z du circuit et le plan X - y est généralement plus importante pour les matériaux ayant des valeurs de DK plus élevées que pour les matériaux ayant des valeurs de DK plus faibles. Les valeurs de DK pour les trois dimensions du matériau de la carte détermineront ensemble les performances d'une ligne de transmission telle qu'une ligne microruban réalisée sur le matériau. Pour de nombreuses cartes haute fréquence, il n'est généralement pas nécessaire de tenir compte de l'Anisotropie du matériau de la carte DK, mais l'anisotropie pose des problèmes potentiellement inconnus, en particulier lorsque les valeurs de DK dans le plan XY et de DK dans l'axe Z sont très différentes. Cette différence peut poser des problèmes inattendus dans les circuits de couplage en parallèle de bord, car le couplage dépend fortement de la valeur de DK sur le plan X - y.

Lorsque vous essayez de miniaturiser un circuit, la façon la plus facile de penser est de minimiser l'épaisseur du matériau de la carte, mais l'épaisseur du matériau de la carte affecte plusieurs indicateurs de performance pour les circuits haute fréquence. Alors que les pertes rayonnantes des circuits haute fréquence augmentent avec la fréquence, un matériau de carte de circuit plus épais présentera également des pertes rayonnantes plus élevées qu'un matériau de carte de circuit mince avec la même valeur de DK. Le choix de DK influe également sur l'importance des pertes rayonnantes pour une disposition et une conception de circuit données, car les pertes rayonnantes des matériaux de carte avec des valeurs de DK plus élevées sont inférieures à celles des cartes avec des valeurs de DK plus faibles.

Pour les circuits qui peuvent provoquer des interférences résonantes ou parasites (par exemple, entre les circuits dans un PCB multicouche), il est avantageux d'utiliser un matériau de carte plus mince. Le degré de dispersion de résonance dépend généralement du type de ligne de transmission dans le circuit. Par example, les lignes de transmission microruban sont généralement plus sensibles aux problèmes de résonance et de propagation que d'autres types de lignes de transmission RF / micro - ondes telles que les lignes ruban, les lignes de transmission CPW à guide d'onde coplanaire. Un matériau de carte plus mince peut aider à réduire la taille du PCB tout en limitant les pertes de rayonnement et les problèmes de propagation de la ligne de transmission, tels que la résonance et l'Intermodulation. Une expérience d'ingénierie commune consiste à utiliser des matériaux de carte plus minces que le quart de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée du circuit. Mais une approche plus sûre consiste à choisir un matériau de carte de circuit imprimé dont l'épaisseur est inférieure à un huitième de longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée.

La largeur de ligne d'une ligne de transmission, telle qu'une ligne microruban, dépendra de l'épaisseur du matériau de la carte, tel qu'un stratifié de circuit ou un préimprégné. Un circuit avec un substrat plus épais élargit la largeur du conducteur, ce qui réduit les pertes de conducteur et les pertes d'insertion du circuit. Cependant, dans ce cas, certains problèmes de propagation des ondes électromagnétiques peuvent survenir. Afin de choisir l'épaisseur du matériau de la carte qui convient à la conception de la carte haute fréquence, généralement la largeur du conducteur doit également être inférieure au huitième de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement la plus élevée. Le DK du matériau de la carte joue un rôle important dans la détermination de la largeur du conducteur de la ligne de transmission, car l'impédance d'un conducteur de même taille conçu sur un matériau de carte DK élevé est inférieure à celle d'un même circuit sur un matériau de carte DK faible. Ainsi, pour que l'impédance caractéristique du circuit soit maintenue à 50 µc, un circuit conçu sur un matériau de carte dont la valeur DK est plus élevée sera plus étroit.

Un choix judicieux

De nombreux compromis doivent être pris en compte lors de la conception de circuits utilisant des matériaux de carte avec des valeurs DK différentes. L'utilisation d'un matériau de carte haute DK permet non seulement de réduire la taille du circuit, mais également d'obtenir des circuits miniaturisés haute performance en combinant des matériaux de carte haute et basse DK. Par example, un filtre passe - bande constitué de cellules résonantes dont les dimensions dépendent de DK du matériau de la carte. Grâce à l'espacement entre chaque cellule de filtre, l'intensité du couplage dans le circuit affecté par le matériau de la carte DK est déterminée. Le matériau de la carte avec un DK élevé offre un couplage plus fort et permet plus d'espace entre les cellules de résonance du filtre.

Afin de vérifier les avantages de l'utilisation de matériaux de carte de circuit avec des valeurs de DK différentes (combinaison de matériaux avec des valeurs de DK différentes en éléments composites), un filtre passe - bande a été conçu sur les matériaux composites des cartes de circuit haut et bas DK. Le matériau haut DK utilisé dans ce filtre est un stratifié de circuit RT / duroid® 6010.2lm avec une valeur DK de 10,7; Le matériau à faible DK utilisé est un préimprégné 2929 ayant un DK de 2,9. Les deux matériaux proviennent de Rogers. Étant donné que les matériaux de carte avec différentes valeurs de DK entraînent des différences dans les performances du circuit, des simulations informatiques sont nécessaires pour déterminer par modélisation le rapport souhaité entre les épaisseurs de deux matériaux différents. Cette approche de modélisation peut nous aider à concevoir un filtre Composite parfait. Les résultats expérimentaux ont montré que la taille du filtre de la conception composite non seulement maintient la taille d'un seul matériau à haute DK, mais améliore également les performances électriques. Par example, la résonance des harmoniques supérieures est considérablement diminuée et les caractéristiques de bande résistive du filtre sont considérablement améliorées. Des études ont montré qu'il est souvent possible de miniaturiser un circuit sans sacrifier les performances en utilisant une grande variété de matériaux de carte dans un circuit.