PCB Tecnico - Analisi della società PCB della progettazione della stripline nella banda di frequenza dell'onda millimetrica

Analisi della società PCB della progettazione della stripline nella banda di frequenza dell'onda millimetrica

Sebbene la progettazione e la produzione del circuito stampato (PCB) alle frequenze d'onda millimetriche partano dalla considerazione dei materiali del circuito, la scelta della tecnologia della linea di trasmissione gioca un ruolo considerevole nelle prestazioni del circuito alle alte frequenze. Poiché le comunicazioni cellulari e wireless continuano ad occupare le bande di frequenza RF/microonde, con conseguente larghezza di banda più stretta e le onde millimetriche possono fornire larghezza di banda sufficiente, i ricercatori scientifici sono più preoccupati per i sistemi a corto raggio e a bassa potenza (come i radar automobilistici e le reti wireless di quinta generazione (5G). L'interesse per le frequenze d'onda millimetriche continua a crescere. Come tecnologia di linea di trasmissione comunemente usata alle frequenze d'onda millimetriche, i progettisti di circuiti possono prima pensare a linee microtrip, guide d'onda complanari a terra (GCPW) o persino guide d'onda rettangolari, ma che dire delle prestazioni della stripline? Nei circuiti compatti e densi, le stripline funzionano bene a 24 GHz (molte stazioni base 5G opereranno a frequenze più elevate) o a frequenze più elevate. Ci sono alcune cose da tenere a mente quando si progettano e si costruiscono circuiti stripline a frequenze d'onda millimetriche.

La struttura della stripline è relativamente unica ed è spesso confrontata con cavi coassiali piatti. Ha una struttura multistrato: il conduttore centrale è circondato da due strati dielettrici superiori e inferiori (materiali del circuito), e l'esterno dello strato dielettrico è circondato da strati di schermatura metallica sulla parte superiore e inferiore. Queste strutture laminate aumentano la complessità del circuito, ma forniscono un buon isolamento tra il conduttore e la linea di trasmissione, in modo che i circuiti estremamente piccoli possano essere implementati a frequenze d'onda RF, microonde e millimetriche (a seconda delle caratteristiche del materiale PCB).

Sebbene la complessità della stripline aumenti i tempi e i costi di produzione, presenta anche alcuni vantaggi eccezionali. Oltre all'elevato isolamento e miniaturizzazione, i piani di terra superiore e inferiore dei circuiti stripline aiutano a ridurre la perdita di radiazione, specialmente nella banda di frequenza delle onde millimetriche. L'elevata perdita di radiazione dei circuiti microstrip a volte li rende inutili antenne. . Stripline può non essere semplice come la linea microstrip o GCPW, ma per alcuni progetti di circuiti ad onde millimetriche, può essere la scelta migliore per le linee di trasmissione, specialmente in circuiti ad alte prestazioni (senza interferenze) densamente confezionati, o circuiti che sono applicazioni sensibili alle radiazioni e alle interferenze elettromagnetiche (EMI) indesiderabili.

Fortunatamente, le eccellenti prestazioni del PCB stripline possono sempre essere "applicate" a 77GHz o frequenza superiore attraverso le tecniche di progettazione e produzione che hanno dimostrato buoni risultati attraverso diversi esperimenti. Se è necessario comprendere rapidamente la linea microstrip e GCPW, è possibile fare clic sul video microschool della tecnologia precedente "Confronto delle prestazioni della linea microstrip e della guida d'onda complanare messa a terra in banda di frequenza millimetrica" (fare clic per saltare direttamente) per ulteriori informazioni.

Come altri formati di linee di trasmissione, i circuiti stripline si restringono man mano che la frequenza aumenta per adattarsi ai circuiti con piccole lunghezze d'onda come le onde millimetriche. Tuttavia, grazie alla sua struttura multistrato unica, i circuiti saranno sempre in grado di mantenere un elevato isolamento. I circuiti Stripline hanno anche una larghezza di banda più ampia, in modo che un singolo circuito d'onda millimetro] design può supportare più applicazioni. Quando si progettano e implementano circuiti stripline a frequenze d'onda millimetriche, devono essere adottate opportune precauzioni per ottenere le migliori prestazioni possibili per evitare segnali inutili, come i modelli di segnale parassitario legati alla copertura a banda larga. La scelta del materiale PCB gioca un ruolo chiave nelle prestazioni dei circuiti stripline alle frequenze d'onda millimetriche.

Questioni che richiedono attenzione

Poiché la lunghezza d'onda del circuito d'onda millimetrico è breve, di solito viene utilizzato un laminato sottile. Tuttavia, anche con materiali dielettrici molto sottili, le linee di striscia e i loro circuiti multistrato sono generalmente più spessi dei circuiti microstrip o GCPW a una data frequenza. Alle frequenze più elevate, la consistenza dei materiali dielettrici PCB è fondamentale per la coerenza della propagazione del segnale (simulazione assistita dal computer). Alle frequenze d'onda millimetriche, la struttura del materiale dielettrico multistrato nei circuiti stripline avrà perdita dielettrica e perdita di inserzione più elevate rispetto ai circuiti microstrip e GCPW. Tuttavia, selezionando i materiali del circuito a bassa perdita dielettrica o a basso fattore di perdita (Df), anche alle frequenze d'onda millimetriche, la perdita di inserzione della stripline può essere controllata e minimizzata.

Per i circuiti stripline alle frequenze d'onda millimetriche, a causa della piccola lunghezza d'onda e solitamente elaborati su materiali dielettrici più sottili, la rugosità superficiale dei conduttori di lamina di rame può essere un problema. Rispetto alla superficie del conduttore della lamina di rame più liscia, la superficie del conduttore della lamina di rame più ruvida rallenterà la propagazione delle onde elettromagnetiche nel conduttore. Inoltre, l'incoerenza della rugosità superficiale del conduttore e del PCB causerà il cambiamento delle caratteristiche di propagazione elettromagnetica del segnale sul PCB, in particolare il cambiamento delle caratteristiche di fase alla frequenza d'onda millimetrica.

Il cambiamento della rugosità superficiale del rame causerà il cambiamento della dispersione del materiale PCB. La dispersione del PCB è una funzione del conduttore e dei materiali dielettrici. La dispersione incoerente potrebbe non influenzare il circuito alle frequenze RF o persino a microonde, ma causerà cambiamenti nella risposta di fase di alcuni circuiti sensibili a questo alle frequenze d'onda millimetriche.

Rispetto alla transizione relativamente semplice del segnale da un connettore coassiale a un circuito microstrip o GCPW, un circuito stripline richiede una preparazione adeguata per ottenere una transizione efficace del segnale da un connettore coassiale a un PCB. In un circuito microtrip, supponendo che il conduttore centrale del connettore e la linea di trasmissione del circuito con un unico piano di terra abbiano la stessa impedenza (ad esempio, 50Ω), una connessione diretta di solito può trasmettere efficacemente l'energia del segnale dal connettore al circuito.

Poiché il piano del segnale del circuito stripline non è sulla superficie, la transizione del segnale dal connettore coassiale al circuito stripline richiede più tentativi. Per collegare il conduttore centrale del connettore con il conduttore del circuito della striscia, può essere ottenuto solo per mezzo di vias metallizzati (PTH). A causa della piccola lunghezza d'onda della frequenza operativa, l'alimentazione del segnale o la transizione dal conduttore centrale del connettore al piano del segnale stripline passa solitamente attraverso vias metallizzati con diametri estremamente piccoli. Al fine di formare un piano di terra uniforme in un circuito stripline, simili vie PTH sono solitamente utilizzati per collegare i piani di terra superiore e inferiore del circuito per ridurre al minimo la possibilità di differenze di densità di corrente in diversi piani di terra. Naturalmente, è importante ridurre al minimo la lunghezza del PTH di transizione. In un circuito stripline, qualsiasi lunghezza inutile nel percorso del segnale può causare la riduzione della perdita di riflessione e ritorno, e persino generare segnali parassitari o armonici.

Quale tipo di laminato è più adatto per circuiti stripline a frequenze d'onda millimetriche? Il laminato Rogers RO3003™ è un esempio, che è un materiale composito in politetrafluoroetilene (PTFE) riempito di ceramica. La costante dielettrica dell'intero materiale è mantenuta entro 3.00±0.04, che ha la consistenza richiesta dal circuito automobilistico della banda di frequenza di onda millimetrica radar 77GHz. Il laminato RO3003 ha un Df basso come 0.0010 a 10GHz e ha un'eccellente stabilità della temperatura. Allo stesso tempo, il materiale ha anche un coefficiente di espansione termica costante (CTE) sui tre assi. La consistenza del CTE può garantire che i vias estremamente piccoli nella linea di striscia alla frequenza d'onda millimetrica possano mantenere l'integrità e l'alto in tutto l'intervallo di temperatura. Affidabilità.