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Il substrato PCB è la chiave per determinare la stabilità della linea di ritardo
Nel circuito PCB, la linea di ritardo è un elemento strutturale molto utile utilizzato per regolare il segnale nel circuito analogico e nel circuito digitale. Le caratteristiche principali delle linee di ritardo ad alta velocità ad alta frequenza includono larghezza di banda di lavoro, tempo di ritardo, perdita di inserimento all'interno della larghezza di banda di lavoro, perdita di ritorno, rapporto di onda in piedi, tempo di aumento e stabilità di ritardo. La linea di ritardo può essere realizzata da diversi componenti del circuito, quali le linee coassiali, i componenti dell'onda acustica di massa, i componenti dell'onda acustica di superficie, ecc., ma la scelta del materiale PCB avrà un impatto significativo sulle prestazioni finali della linea di ritardo. L'uniformità della costante di punto intermedio dell'intero PCB e l'uniformità dello spessore del PCB influenzeranno notevolmente l'uniformità delle prestazioni e l'effetto atteso della linea di ritardo. Più semplicemente, che si tratti di stripline o circuito microstrip, migliore è la consistenza della costante dielettrica Dk nel PCB, migliore è la consistenza dello spessore del materiale, migliore è la stabilità della linea di ritardo nel PCB.
La funzione principale della linea di ritardo nel circuito è quella di agire come mezzo di trasmissione del segnale elettromagnetico. Quando il mezzo di trasmissione è aria, la velocità di propagazione dei segnali elettromagnetici è uguale alla velocità della luce 300.000 chilometri al secondo. Tenendo conto delle dimensioni del PCB che i progettisti utilizzano solitamente, la velocità della luce può essere calcolata con 11,8 pollici/nanosecondo o 300 mm/nanosecondo. Quando i segnali elettromagnetici si propagano attraverso altri mezzi, come PCB, la velocità di propagazione del segnale rallenterà a causa dell'effetto delle proprietà del materiale come la costante dielettrica del PCB. La costante dielettrica di tutti i materiali del circuito è maggiore di 1 e quando le onde elettromagnetiche si propagano nel materiale del circuito, una costante dielettrica più alta significa una maggiore capacità di carica e un tasso di propagazione inferiore.
Per le linee di segnale su un PCB, la velocità di propagazione dei segnali elettromagnetici è uguale alla velocità della luce divisa per la radice quadrata della costante dielettrica. La costante dielettrica Dk sia del vuoto che dell'aria è considerata 1. Pertanto, quando l'aria viene utilizzata come mezzo di propagazione, la velocità di propagazione dei segnali elettromagnetici non cambia. Per materiale FR-4 con una costante dielettrica di 4, quando un segnale elettromagnetico si propaga in esso, la velocità di propagazione è uguale alla velocità della luce divisa per la radice quadrata della costante dielettrica, cioè divisa per 2. Pertanto, la velocità di propagazione del segnale in materiale FR-4 è la metà della velocità di propagazione in aria o vuoto.
Per la linea di ritardo del microscatto a radiofrequenza, il campo elettromagnetico passa attraverso il conduttore metallico e la combinazione di materiali dielettrici, compreso il materiale dielettrico PCB sotto il conduttore del circuito e l'aria sopra il circuito. Per la linea di ritardo della striscia di radiofrequenza, il campo elettromagnetico passerà attraverso l'aria sopra il circuito e il materiale dielettrico del PCB sotto il circuito. Questo è particolarmente vero per i circuiti multistrato che utilizzano vias per collegare diversi strati di circuito. Le guide d'onda complanari sono anche comunemente utilizzate nelle linee di ritardo a microonde a radiofrequenza e le differenze nelle caratteristiche del materiale PCB come lo spessore del materiale dielettrico e la tolleranza dello spessore del filo di rame avranno un impatto significativo sulle prestazioni della linea di ritardo.
Naturalmente, per un particolare materiale PCB, la tecnologia di elaborazione dei circuiti e la tecnologia di assemblaggio sono strettamente correlate alla coerenza delle prestazioni della linea di ritardo. Idealmente, anche se la deviazione dello spessore e della costante dielettrica del materiale PCB è molto piccola e la consistenza è molto buona, la differenza nelle caratteristiche dei diversi materiali PCB sarà convertita nella differenza nelle prestazioni della linea di ritardo. Gli effetti indesiderati di capacità causati da fattori come i punti di connessione del circuito dovrebbero essere minimizzati, perché un aumento della capacità porterà ad un aumento del tempo di ritardo. Al fine di garantire una buona stabilità delle prestazioni elettriche, la linea di ritardo PCB deve essere progettata con un piano di terra di grande area.
Nella progettazione effettiva del circuito della linea di ritardo, trovare materiali PCB adatti deve pesare in modo completo più fattori. Dal punto di vista delle prestazioni eccellenti, il materiale del circuito RT 5880 di Rogers Corporation, rappresentato da Shiqiang, è basato su PTFE e curato da fibre micro-ottiche di vetro. Il materiale del circuito RT 5880 ha una costante dielettrica polare e una tolleranza molto piccola, Dk è 2,2 e la tolleranza è 0,02. Allo stesso tempo, il suo fattore di perdita è anche molto piccolo, con una varietà di dimensioni e spessori laminati (il più sottile può essere fino a 0,005 pollici). Quando si utilizza RT 5880 per progettare una linea di ritardo, lo spessore può essere controllato rigorosamente per ridurre l'impatto sulla linea di ritardo. Naturalmente, buone prestazioni spesso comportano costi più elevati. I materiali PCB con basso valore Dk e ultra-bassa tolleranza Dk sono un po 'più costosi di altri materiali. Questi materiali sono spesso utilizzati nelle apparecchiature di circuito più impegnative, come le apparecchiature elettroniche militari.
Considerando le prestazioni e il costo del materiale, anche il materiale RO3003 di Rogers è basato su PTFE e rinforzato con ceramica. La costante dielettrica di RO3003 è 3,00, la tolleranza è 0,04, il suo fattore di perdita è anche molto piccolo ed è facile controllare accuratamente lo spessore per ridurre l'impatto sulle prestazioni della linea di ritardo. Rogers è un materiale PCB molto conveniente per il laminato alla linea di ritardo. A 10GHz, la costante dielettrica dell'asse Z di RO4835 è 3,48 e la tolleranza è 0,05. Oltre ad essere compatibile con processi privi di piombo, la deviazione di spessore del materiale è anche molto piccola e può essere lavorato con il processo standard del materiale FR-4 per ridurre i costi del prodotto. Per soddisfare i requisiti di progettazione differenti, lo spessore applicabile del materiale e lo spessore della lamina di rame hanno una vasta gamma e lo spessore più sottile può essere di 0,0066 pollici.
Per raggiungere l'obiettivo di progettazione della linea di ritardo, oltre alla scelta del materiale PCB, devono essere considerati molti fattori. Ogni interfaccia del circuito a microonde a radiofrequenza può causare l'aumento del tempo di ritardo della linea di ritardo. Per i circuiti stampati PCB che utilizzano connettori coassiali per la trasmissione del segnale, l'interfaccia tra il circuito stampato e il connettore introdurrà cambiamenti di tempo di ritardo. Queste interfacce o punti di transizione del segnale devono essere il più coerenti possibile ad entrambe le estremità per ridurre la variazione del tempo di ritardo del circuito. Il materiale laminato RO4835 può fornire tolleranza Dk estremamente piccola, controllo preciso dello spessore e basso livello di prestazione di perdita per soddisfare i requisiti di coerenza delle prestazioni della linea di ritardo.
