PCB Tecnico - Che perdita si verificherà nella linea di trasmissione del circuito stampato

La linea di trasmissione PCB contiene almeno due fili, uno per il segnale e l'altro per il percorso di ritorno. La complessa rete del circuito stampato è una combinazione di questa più semplice struttura della linea di trasmissione. Dal punto di vista della progettazione PCB, la comprensione di queste strutture (microstrip, stripline e coplanare) è vantaggiosa per progettisti e produttori.

Qual è la perdita della linea di trasmissione?

La struttura della linea di trasmissione ha diversi meccanismi di perdita. La perdita totale della linea di trasmissione PCB è chiamata perdita di inserzione (αt). È la somma di perdita del conduttore (αc), perdita dielettrica (αd), perdita di radiazione (αr) e perdita di perdita (αl).

αt = αc + αd + αr + αl

L'effetto della perdita è trascurabile perché il PCB ha una resistenza al volume molto elevata. La perdita di radiazione è l'energia persa dal circuito a causa della radiazione a radiofrequenza. Questa perdita dipende dalla frequenza, dalla costante dielettrica (Dk) e dallo spessore. Per una particolare linea di trasmissione, la perdita sarà molto più alta a frequenze più elevate. Per lo stesso circuito, quando vengono utilizzati un substrato più sottile e un valore Dk più alto, la perdita di radiazione sarà più piccola.

In questo articolo, discuteremo solo la perdita della linea di trasmissione relativa alla perdita del conduttore (αc) causata dalla resistenza della traccia del segnale e la perdita dielettrica (αd) causata dal dielettrico PCB, quest'ultimo con il fattore di perdita tangente/dissipazione da misurare.

αt = αc + αd

Meccanismo caratteristico di impedenza e perdita

Nella nostra precedente serie di linee di trasmissione PCB, vi abbiamo dato l'impedenza caratteristica di una linea di trasmissione (è l'impedenza vista dal segnale e non ha nulla a che fare con la frequenza):

R = resistenza del conduttore di linea per unità di lunghezza (pul)

L = induttanza del ciclo del conduttore di linea pul

G = conduttanza tra percorso del segnale e percorso di ritorno (dovuto a dielettrico) pul

C = la capacità pul tra il percorso del segnale e il percorso di ritorno (aumenta con il Dk del dielettrico)

Per una linea di trasmissione uniforme, R, L, G e C sono gli stessi in ogni punto, quindi Zc ha lo stesso valore in ogni punto della linea di trasmissione.

Per un segnale sinusoidale con una frequenza di f (Ï� = 2πf) che si propaga lungo la linea, le espressioni di tensione e corrente in punti e tempi diversi sono date da:

Dove α e β sono le parti reali e immaginarie della perdita della linea di trasmissione PCB, date dalla formula seguente:

Alle frequenze che ci interessano, R << Ï\L e G << Ï\C, quindi:

E: la perdita della linea di trasmissione PCB a:

Ciò significa che un'onda propaga la perdita di una linea di trasmissione PCB con un ritardo di propagazione per unità di lunghezza e si attenua mentre si propaga lungo la linea.

Il coefficiente di attenuazione del segnale di una linea di trasmissione di lunghezza l è:

Il fattore di attenuazione o perdita del segnale è solitamente espresso in dB.

Pertanto, la perdita di dB è proporzionale alla lunghezza della linea. Pertanto, possiamo esprimere quanto sopra come perdita dB per unità di lunghezza:

Di solito omettiamo il segno meno e ricordiamo che si tratta di una perdita di dB, sempre sottratta dalla potenza del segnale in dB.

Quanto sopra è anche chiamato perdita totale di inserimento per unità di lunghezza della linea di trasmissione, scritta come:

Ora, la componente R/Z0 della perdita è proporzionale a R (resistenza per unità di lunghezza), che è chiamata perdita del conduttore ed è causata dalla resistenza del conduttore che forma la linea di trasmissione. È rappresentato dall'alfa'C. La perdita della parte GZ0 è proporzionale a G-la conduttanza del materiale dielettrico, chiamata perdita dielettrica-indicata da "alfa" d.

Dove R è la resistenza del conduttore per pollice.

Ora, ci sono due conduttori nella linea di trasmissione PCB-la traccia del segnale e il percorso di ritorno.

Di solito, il percorso di ritorno è una superficie piana, tuttavia, la corrente di ritorno non è distribuita uniformemente sulla superficie piana - possiamo dimostrare che la maggior parte della corrente è concentrata su una striscia che è tre volte la larghezza della traccia del segnale, appena sotto la traccia del segnale.

Resistenza alla traccia del segnale nelle linee di trasmissione PCB

L'intera area trasversale della traccia del segnale partecipa ugualmente alla corrente del segnale? La risposta è: non sempre il caso, dipende dalla frequenza del segnale.

A frequenze molto basse, fino a circa 1MHz, possiamo presumere che l'intero conduttore partecipi alla corrente del segnale, quindi Rsig è la stessa della resistenza "alfa" C della traccia del segnale, vale a dire:

ρ = Resistività di rame in ohm-inch Perdita della linea di trasmissione PCB

W = larghezza di traccia in pollici (ad esempio: 5 mil, o 0,005" traccia 50 ohm)

T = spessore della traccia in pollici (solitamente da ½ oz a 10oz, cioè da 0.0007" a 0.0014")

Ad esempio, per una traccia larga 5 mil:

Per i nostri scopi, siamo interessati alla resistenza AC alla frequenza f. Qui, l'effetto pelle entra nell'immagine. Secondo l'effetto della pelle, la corrente con frequenza f si diffonde solo ad una certa profondità, che è chiamata profondità della pelle del conduttore

Possiamo vedere da quanto sopra che a 4MHz, la profondità della pelle è uguale a 1oz di spessore del rame, e a 15MHz, è uguale a ½ oz di spessore del rame. Sopra 15MHz, la profondità della corrente del segnale è solo inferiore a 0,7 mil e continua a diminuire man mano che la frequenza aumenta.

Poiché ci stiamo concentrando sul comportamento ad alta frequenza qui, possiamo tranquillamente presumere che T sia maggiore della profondità della pelle alla frequenza di interesse, quindi useremo la profondità della pelle invece di T nella formula di resistenza del segnale. Quindi ora abbiamo:

Usiamo 2δ invece di δ, perché la corrente utilizza tutta la periferia del conduttore-tecnicamente parlando, 2W può essere sostituito da 2(W+T).

Il segnale di ritorno si propaga solo con uno spessore δ lungo la superficie più vicina alla traccia del segnale e la sua resistenza può essere approssimata come:

Aumento della perdita del conduttore a causa della rugosità superficiale del rame all'interfaccia conduttore-dielettrica

È importante sapere che nel circuito stampato, l'"interfaccia conduttore-dielettrica di rame" non è mai liscia (se è liscia, il conduttore di rame è facilmente sbucciato dalla superficie dielettrica); È ruvidito in una struttura simile a un dente per aumentare il circuito La forza di sbucciatura del conduttore sulla scheda.