Tecnologia RF - Scegliere il giusto materiale del circuito stampato per ridurre le dimensioni del circuito RF

Scegliere il giusto materiale del circuito stampato per ridurre le dimensioni del circuito RF

Con la crescente domanda di mobilità e portabilità dei dispositivi elettronici, la miniaturizzazione dei circuiti sta diventando sempre più importante. Prima di iniziare a progettare prodotti elettronici, la scelta di un materiale appropriato del circuito stampato aiuterà a progettare più piccoli circuiti RF e microonde. Per una determinata gamma di frequenze, l'uso di un materiale del circuito con una costante dielettrica più alta (Dk) di solito rende la dimensione e la struttura del circuito più piccoli. Tuttavia, l'uso di piastre con un valore Dk superiore aumenterà la perdita di inserimento del circuito e può anche ridurre le prestazioni di altri aspetti del circuito. Allo stesso tempo, il valore Dk del materiale del circuito stampato influenzerà anche i parametri dell'indice del circuito, come la perdita di radiazione, la dispersione, l'accoppiamento e così via.

Per una data frequenza, la lunghezza d'onda nel mezzo diminuirà con l'aumento del materiale del circuito stampato Dk, con conseguente dimensione del circuito progettato su un materiale del circuito stampato con un valore Dk superiore rispetto a un circuito con un valore Dk inferiore La dimensione del circuito progettata sul materiale della scheda è più piccola. Inoltre, i materiali dei circuiti stampati con valori Dk più elevati ridurranno anche la velocità di fase delle onde elettromagnetiche (EM) che attraversano questi materiali. Il Dk del materiale del circuito stampato è solitamente un valore misurato nella direzione dell'asse z (cioè, la direzione dello spessore) del materiale a 10 GHz. Il valore Dk dell'asse z dei materiali dei circuiti stampati commerciali può essere alto fino a 10 (o superiore) o inferiore a 2 (rispetto all'aria con Dk pari a 1). Ma oggettivamente parlando, ma di solito con un valore Dk di 6 o superiore, può essere considerato come un foglio costante dielettrico elevato.

La linea di trasmissione fatta di materiale del circuito stampato con valore Dk inferiore ha velocità di fase più veloce. Per la miniaturizzazione di circuiti sensibili alla fase (come le antenne phased array), l'influenza di Dk deve essere considerata. Inoltre, un materiale del circuito stampato con un valore Dk superiore mostra una maggiore dispersione rispetto a un materiale del circuito stampato con un valore Dk inferiore. I materiali del circuito stampato con valori Dk più alti sono solitamente utilizzati in accoppiatori direzionali e in altri circuiti che richiedono coefficienti di accoppiamento più elevati.

Per quanto riguarda Dk, i materiali del circuito stampato sono solitamente anisotropi. Anche se i valori Dk dei materiali sui tre assi sono diversi, le persone sono solitamente usate per confrontarli in base al valore Dk del materiale nella direzione dell'asse z. Per i materiali con valori Dk superiori, la differenza in Dk tra l'asse z e il piano x-y del circuito è spesso maggiore di quella dei materiali con valori Dk inferiori. I valori Dk in tutte e tre le dimensioni del materiale del circuito stampato determineranno congiuntamente le prestazioni della linea di trasmissione (come la linea microstrip) realizzata sul materiale. Per molti circuiti stampati ad alta frequenza, di solito non è necessario considerare l'anisotropia del materiale del circuito stampato Dk, ma l'anisotropia porta alcuni potenziali problemi sconosciuti, specialmente quando il valore Dk del piano xy e il Dk sull'asse z Quando i valori differiscono notevolmente. Questa differenza può causare problemi inaspettati nel circuito di accoppiamento parallelo-bordo, perché l'accoppiamento è fortemente dipendente dal valore Dk sul piano x-y.

Quando si tenta di miniaturizzare il circuito, il modo più semplice da pensare è quello di minimizzare lo spessore del materiale del circuito stampato, ma lo spessore del materiale del circuito stampato influenzerà le prestazioni di più indicatori del circuito ad alta frequenza. Anche se la perdita di radiazione dei circuiti ad alta frequenza aumenta con la frequenza, i materiali del circuito stampato più spessi mostreranno anche perdite di radiazione più elevate rispetto ai materiali del circuito stampato più sottili con lo stesso valore Dk. Per un determinato layout e progettazione del circuito, la scelta di Dk influenzerà anche la dimensione della perdita di radiazione, perché la perdita di radiazione del materiale del circuito stampato con un valore Dk superiore è inferiore a quella del materiale del circuito stampato con un valore Dk inferiore.

Per i circuiti che possono causare risonanza o interferenze vaganti (ad esempio, tra i circuiti in un PCB multistrato), è utile utilizzare un materiale del circuito stampato più sottile. Il grado di speroni di risonanza dipende solitamente dal tipo di linea di trasmissione nel circuito. Ad esempio, le linee di trasmissione microtrip sono spesso più suscettibili a problemi di risonanza e propagazione rispetto ad altri tipi di linee di trasmissione RF/microonde (come le linee a strisce, le linee di trasmissione complanari CPW a guida d'onda). I materiali del circuito stampato più sottili possono aiutare a ridurre le dimensioni del PCB limitando la perdita di radiazione e i problemi di propagazione della linea di trasmissione, come la risonanza e l'intermodulazione. L'esperienza ingegneristica comune è quella di utilizzare un materiale del circuito stampato più sottile di un quarto di lunghezza d'onda della più alta frequenza operativa del circuito. Ma un metodo più sicuro è quello di scegliere un materiale del circuito che è più sottile di un ottavo di lunghezza d'onda della più alta frequenza operativa in termini di spessore.

La larghezza della linea di una linea di trasmissione (ad esempio una linea microtrip) dipenderà dallo spessore del materiale del circuito stampato (ad esempio un circuito laminato o materiale prepreg). I circuiti con substrati più spessi amplieranno la larghezza del conduttore, che può ridurre la perdita del conduttore e la perdita di inserzione del circuito. Tuttavia, in questo caso, possono verificarsi alcuni problemi di propagazione delle onde elettromagnetiche. Al fine di selezionare lo spessore del materiale del circuito stampato adatto alla progettazione della scheda ad alta frequenza, di solito la larghezza del conduttore dovrebbe anche essere inferiore a un ottavo di lunghezza d'onda della più alta frequenza operativa. Il Dk del materiale del circuito stampato svolge un ruolo importante nella determinazione della larghezza del conduttore della linea di trasmissione, perché il conduttore della stessa dimensione progettato sul materiale del circuito ad alto Dk ha un'impedenza inferiore rispetto allo stesso circuito sul materiale a basso Dk. Pertanto, al fine di mantenere il circuito con un'impedenza caratteristica di 50Ω, il circuito progettato sul materiale del circuito con un valore Dk maggiore sarà più stretto.

Scelta saggia

Quando si progetta un circuito utilizzando materiali del circuito con valori Dk diversi, molti compromessi devono essere presi in considerazione. L'uso di materiali per circuiti stampati ad alto-Dk può non solo ridurre le dimensioni del circuito, ma anche realizzare circuiti miniaturizzati ad alte prestazioni combinando materiali per circuiti stampati ad alto-Dk e basso-Dk. Ad esempio, un filtro passa banda composto da un'unità risonante, la sua dimensione dipende dal Dk del materiale del circuito stampato. A causa della distanza tra ogni unità filtrante, la forza di accoppiamento nel circuito interessato dal materiale del circuito Dk è determinata. Il materiale del circuito stampato con Dk alto fornisce un accoppiamento più forte e consente più spazio tra le unità risonanti del filtro.

Al fine di verificare i vantaggi dell'utilizzo di materiali per circuiti stampati con diversi valori Dk (combinando materiali con diversi valori Dk in un componente composito), è stato progettato un filtro passa banda sul materiale composito dei circuiti stampati ad alto Dk e basso Dk. Il materiale high-Dk utilizzato in questo filtro è laminato a circuito RT/duroid® 6010.2LM con un valore Dk di 10,7; e il materiale low-Dk utilizzato è 2929 prepreg con un valore Dk di 2,9. Entrambi i materiali sono da Rogers Corporation. Poiché i materiali del circuito stampato con valori Dk differenti porteranno differenze nelle prestazioni del circuito, sono necessarie simulazioni al computer per determinare il rapporto richiesto tra due diversi spessori di materiale attraverso la modellazione. Questo metodo di modellazione può aiutarci a progettare un filtro composito perfetto. I risultati sperimentali mostrano che la dimensione del filtro progettato da materiali compositi non solo mantiene la dimensione su un singolo materiale ad alto Dk, ma ha anche migliorato le prestazioni elettriche. Ad esempio, la risonanza armonica di alto ordine è significativamente ridotta e anche le caratteristiche della banda di arresto del filtro sono state significativamente migliorate. Gli studi hanno dimostrato che utilizzando più di un materiale del circuito nel circuito, la miniaturizzazione del circuito è spesso possibile senza sacrificare le prestazioni.