PCB Tecnico - Scelta dei materiali del circuito di radiofrequenza a microonde ad alta frequenza

Con la crescente domanda di mobilità e portabilità delle apparecchiature elettroniche, la miniaturizzazione dei circuiti ad alta frequenza a microonde e radiofrequenza è diventata sempre più importante. Prima di iniziare a progettare prodotti elettronici, la scelta di un appropriato materiale del circuito a microonde ad alta frequenza può aiutare a progettare circuiti RF e microonde più piccoli. Per una determinata gamma di frequenze, l'uso di materiali del circuito ad alta frequenza con una costante dielettrica più alta (Dk) di solito rende la dimensione e la struttura di progettazione 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: perdita di radiazione, dispersione, accoppiamento, ecc.

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 a un circuito con un valore Dk inferiore La dimensione del circuito progettato sul materiale del circuito stampato a microonde ad alta frequenza è più piccola. Inoltre, i materiali del circuito a microonde ad alta frequenza con un valore Dk superiore ridurranno anche la velocità di fase delle onde elettromagnetiche (EM) che passano attraverso questi materiali. Il Dk del materiale del circuito a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza adotta solitamente il valore misurato attraverso la direzione dell'asse z del materiale (cioè, la direzione dello spessore) 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 del materiale del circuito a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza con valore Dk inferiore ha una 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, il materiale del circuito stampato a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza con un valore Dk superiore mostra una maggiore dispersione rispetto al materiale del circuito stampato con un valore Dk inferiore. I materiali del circuito a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza con un valore Dk più alto 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 di radiofrequenza a microonde ad alta frequenza sono solitamente anisotropi. Anche se i valori Dk dei materiali sui tre assi sono diversi, le persone sono solitamente abituate a secondo il valore Dk del materiale nella direzione dell'asse z. Confrontate l'uno con l'altro. 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 a microonde ad alta frequenza determineranno congiuntamente le prestazioni della linea di trasmissione (come la linea microtrip) fatta sul materiale. Per molti circuiti ad alta frequenza, di solito non c'è bisogno di considerare le caratteristiche di anisotropia dei materiali del circuito a microonde ad alta frequenza Dk, ma l'anisotropia porta alcuni potenziali problemi sconosciuti, specialmente quando il valore Dk del piano xy e z Quando i valori Dk sull'asse sono molto diversi. 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 ridurre al minimo lo spessore del materiale del circuito a microonde ad alta frequenza, ma lo spessore del materiale del circuito a microonde ad alta frequenza 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 radiofrequenza a microonde ad alta frequenza PCB multistrato), è utile utilizzare materiali del circuito stampato più sottili. 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 delle schede a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza PCB, limitando al contempo la perdita di radiazione e i problemi di propagazione della linea di trasmissione, come risonanza e intermodulazione. L'esperienza di ingegneria comune è quella di utilizzare materiali del circuito a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza che sono più sottili 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 di radiofrequenza a microonde ad alta frequenza 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 (come una linea microtrip) dipende dallo spessore di un materiale del circuito a microonde ad alta frequenza (come un circuito laminato o un 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 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 a microonde ad alta frequenza e del circuito a radiofrequenza 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 a microonde ad alta frequenza ad alta frequenza a microonde ad alta frequenza ad alta frequenza ha un valore inferiore rispetto allo stesso circuito sull'impedenza del materiale a bassa frequenza 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.

Quando si progettano circuiti che utilizzano materiali del circuito a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza con valori Dk differenti, molti compromessi devono essere presi in considerazione. L'uso dei materiali del circuito a microonde ad alta frequenza ad alta frequenza ad alta Dk può non solo ridurre le dimensioni del circuito, ma anche realizzare circuiti miniaturizzati ad alte prestazioni combinando i materiali del circuito ad alta Dk e bassa 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 a radiofrequenza a microonde ad alta frequenza con alto Dk 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 a microonde ad alta frequenza e radiofrequenza con diversi valori Dk (combinando materiali con diversi valori Dk in un componente composito), è stato progettato un materiale composito di circuiti stampati a microonde ad alta frequenza ad alta frequenza e bassa frequenza 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 un prepreg 2929 con un valore Dk di 2,9, entrambi provenienti dalla Rogers Corporation. Poiché diversi valori Dk dei materiali del circuito a microonde ad alta frequenza porteranno differenze nelle prestazioni del circuito, è necessario utilizzare un computer per la simulazione e la modellazione per determinare il rapporto richiesto tra due diversi spessori del materiale. 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.