Technologie PCB - Choix du matériau de la carte de circuit RF à haute fréquence micro - ondes

Avec la demande croissante de mobilité et de portabilité pour les appareils électroniques, la miniaturisation des circuits hyperfréquences et radiofréquences à haute fréquence devient de plus en plus importante. Avant de commencer à concevoir des produits électroniques, choisir le bon matériau de carte de circuit RF à haute fréquence peut aider à concevoir des circuits RF et micro - ondes plus petits. Pour une gamme de fréquences donnée, l'utilisation d'un matériau de carte à haute fréquence ayant une constante diélectrique (DK) plus élevée rend généralement le circuit moins dimensionné et moins structuré. Cependant, l'utilisation d'une carte avec une valeur DK plus élevée augmentera 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 indicateurs du circuit, tels que: les pertes de rayonnement, la dispersion chromatique, le couplage, etc.

Pour une fréquence donnée, la longueur d'onde dans le milieu diminuera à mesure que le matériau de la carte DK augmentera, ce qui entraînera une taille de circuit plus petite pour les circuits conçus sur des matériaux de carte ayant des valeurs de DK plus élevées que pour les circuits conçus sur des valeurs de DK plus faibles. En outre, les matériaux de carte RF hyperfréquence à haute fréquence avec des valeurs DK plus élevées peuvent également réduire la vitesse de phase des ondes électromagnétiques (EM) traversant ces matériaux. Le DK d'un matériau de carte de circuit radiofréquence hyperfréquence prend généralement une valeur mesurée à 10 GHz par la direction de l'axe Z du matériau, c'est - à - dire la direction 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, il peut être considéré comme une feuille à haute permittivité.

Les lignes de transmission réalisées dans un matériau de carte de circuit radiofréquence hyperfréquence de plus faible valeur DK 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. De plus, les matériaux de carte de circuit radiofréquence hyperfréquence ayant des valeurs DK plus élevées présentent une plus grande dispersion que les matériaux de carte de circuit ayant des valeurs DK plus faibles. Les matériaux de carte de circuit RF hyperfréquence à haute fréquence avec des valeurs 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, les matériaux de carte de circuit radiofréquence hyperfréquence sont généralement anisotropes. Bien que les matériaux aient des valeurs de DK différentes sur les trois axes, on est généralement habitué à les utiliser en fonction de la valeur de DK du matériau dans la direction de l'axe Z. Comparer les uns aux autres. Pour les matériaux ayant des valeurs de DK plus élevées, la différence de DK entre l'axe Z et le plan X - y du circuit est généralement plus grande que pour les matériaux ayant des valeurs de DK plus faibles. La valeur de DK dans toutes les trois dimensions d'un matériau de carte de circuit radiofréquence hyperfréquence déterminera conjointement les performances d'une ligne de transmission, par example une ligne microbande, réalisée sur ce matériau. Pour de nombreux circuits haute fréquence, il n'est généralement pas nécessaire de prendre en compte les propriétés d'anisotropie du matériau de carte RF micro - ondes haute fréquence DK, mais l'anisotropie pose des problèmes potentiellement inconnus, en particulier lorsque les valeurs de DK dans le plan XY et les valeurs 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 l'on cherche à miniaturiser un circuit, l'approche la plus facile qui vient à l'esprit est de minimiser l'épaisseur du matériau de la carte RF hyperfréquence à haute fréquence, mais l'épaisseur du matériau de la carte RF hyperfréquence à haute fréquence affecte les performances de plusieurs indicateurs du circuit à haute fréquence. Bien 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 par rapport à un matériau de carte de circuit plus mince avec la même valeur de DK. Le choix de DK affecte également l'importance des pertes rayonnantes pour une disposition et une conception de circuit données, car les matériaux de carte de circuit ayant des valeurs de DK plus élevées ont des pertes rayonnantes inférieures à celles ayant 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 haute fréquence micro - ondes RF), il est avantageux d'utiliser un matériau de carte de circuit 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 de circuit imprimé plus mince peut aider à réduire la taille des cartes RF micro - ondes haute fréquence 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 de circuit RF à haute fréquence plus minces que le quart de 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 RF à micro - ondes à haute fréquence qui est plus mince que le huitième de la 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, dépend de l'épaisseur du matériau de la carte de circuit RF hyperfréquence haute fréquence, tel qu'un stratifié de circuit ou un matériau préimprégné. Un circuit avec un substrat plus épais élargit la largeur du conducteur, ce qui peut réduire les pertes de conducteur et les pertes d'insertion du circuit. Cependant, dans ce cas, certains problèmes de propagation des ondes électromagnétiques peuvent survenir. Pour choisir l'épaisseur du matériau de la carte qui convient à la conception à 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 des matériaux de carte à micro - ondes et RF à haute fréquence joue un rôle important dans la détermination de la largeur du conducteur de la ligne de transmission, car un conducteur de même taille conçu sur une carte à micro - ondes RF à haute fréquence DK a une valeur inférieure à celle du même circuit sur l'impédance du matériau à faible DK. Ainsi, pour conserver une impédance caractéristique du circuit de 50 angströms, un circuit conçu sur un matériau de carte ayant une valeur de DK plus élevée sera plus étroit.

De nombreux compromis doivent être pris en compte lors de la conception de circuits utilisant des matériaux de carte de circuit RF à haute fréquence avec des valeurs DK différentes. L'utilisation d'un matériau de carte de circuit RF micro - ondes haute fréquence DK permet non seulement de réduire la taille du circuit, mais également de réaliser des circuits miniaturisés haute performance en combinant des matériaux de carte de circuit 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. Du fait de l'espacement entre chaque cellule de filtre, on détermine l'intensité du couplage dans le circuit affecté par le matériau de la carte DK. Le matériau de carte de circuit RF à haute fréquence avec 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 RF et de micro - ondes haute fréquence de valeurs DK différentes (combinaison de matériaux de valeurs DK différentes en composants composites), un filtre passe - bande en matériau composite a été conçu pour les cartes RF haute et basse fréquence haute et basse 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; Et le matériau à faible DK utilisé est une billette préimprégnée 2929 ayant une valeur DK de 2,9, toutes deux de Rogers Corporation. Étant donné que les différences dans les valeurs de DK des matériaux de carte de circuit RF à haute fréquence entraînent des différences dans les performances du circuit, il est nécessaire d'effectuer des simulations et des modélisations à l'aide d'un ordinateur pour déterminer les proportions requises pour deux épaisseurs de matériaux différentes. 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 réduite et les caractéristiques de bande résistive du filtre sont également nettement améliorées. Des études ont montré qu'en utilisant plus d'un matériau de carte dans un circuit, il est généralement possible de miniaturiser un circuit sans sacrifier les performances.