Công nghệ PCB - Phân tích thiết kế dải băng milimet của công ty PCB

Phân tích thiết kế dải băng milimet của công ty PCB

Mặc dù việc thiết kế và sản xuất bảng mạch in (PCB) ở tần số sóng milimet bắt đầu với việc xem xét vật liệu mạch, việc lựa chọn công nghệ đường truyền đóng một vai trò đáng kể trong hiệu suất mạch tần số cao. Khi truyền thông di động và không dây tiếp tục chiếm lĩnh băng tần RF/vi sóng, dẫn đến băng thông hẹp hơn và sóng milimet có thể cung cấp đủ băng thông, các nhà nghiên cứu khoa học tập trung nhiều hơn vào các hệ thống tầm ngắn, tiêu thụ điện năng thấp như radar ô tô và mạng không dây thế hệ thứ năm (5G). Sự quan tâm đến tần số sóng milimet tiếp tục phát triển. Là một công nghệ đường truyền thường được sử dụng ở tần số sóng milimet, các nhà thiết kế mạch có thể nghĩ đến đầu tiên là các dây vi băng, các ống dẫn sóng đồng mặt nối đất (GCPW) hoặc thậm chí là các ống dẫn sóng hình chữ nhật, nhưng còn hiệu suất của các dải thì sao? Trong các mạch nhỏ gọn và dày đặc, dải hoạt động tốt ở tần số 24 GHz (nhiều trạm gốc 5G sẽ hoạt động ở tần số cao hơn) hoặc cao hơn. Có một vài điều cần lưu ý khi thiết kế và xây dựng các mạch ribbon với tần số sóng milimet.

Cấu trúc của dây ruy băng tương đối độc đáo và thường được so sánh với cáp đồng trục phẳng. Nó có cấu trúc nhiều lớp: dây dẫn trung gian được bao quanh bởi hai lớp điện môi trên và dưới (vật liệu mạch), và mặt ngoài của lớp điện môi được bao quanh bởi một lớp che chắn kim loại ở trên và dưới. Các cấu trúc nhiều lớp này làm tăng độ phức tạp của mạch, nhưng cung cấp sự cách ly tốt giữa dây dẫn và đường truyền, do đó các mạch cực nhỏ (tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu PCB) có thể đạt được ở tần số sóng RF, vi sóng và milimet.

Trong khi sự phức tạp của dải làm tăng thời gian và chi phí sản xuất, nó cũng cho thấy một số lợi thế nổi bật. Ngoài sự cô lập và thu nhỏ cao, mặt phẳng mặt đất trên và dưới của mạch ribbon cũng giúp giảm tổn thất bức xạ, đặc biệt là trong dải sóng milimet. Mất bức xạ cao của các mạch vi băng đôi khi có thể khiến chúng trở thành ăng ten không cần thiết. Dây ruy băng có thể không đơn giản như dây microband hoặc GCPW, nhưng đối với một số thiết kế mạch sóng milimet, nó có thể là lựa chọn tốt nhất cho đường truyền, đặc biệt là trong các mạch được đóng gói dày đặc hiệu suất cao (không gây nhiễu) hoặc trong các mạch nhạy cảm với bức xạ và nhiễu điện từ (EMI).

May mắn thay, hiệu suất tuyệt vời của PCB ribbon luôn có thể được "áp dụng" ở tần số 77GHz hoặc cao hơn thông qua nhiều thử nghiệm đã chứng minh hiệu quả tốt trong thiết kế và công nghệ sản xuất. Nếu bạn cần tìm hiểu nhanh về Micro Band và GCPW, bạn có thể nhấp vào video Technical Micro School trước đó "So sánh hiệu suất của Micro Band Micro Band và Ground Common Wave Leader" (Nhấp vào Direct Jump) để biết thêm thông tin.

Giống như các định dạng đường truyền khác, mạch ribbon thu nhỏ khi tần số tăng lên để phù hợp với các mạch có bước sóng nhỏ hơn như sóng milimet. Tuy nhiên, do cấu trúc đa lớp độc đáo của nó, mạch sẽ luôn có thể duy trì mức độ cô lập cao. Các mạch ribbon cũng có băng thông rộng hơn, vì vậy một mạch sóng milimet duy nhất có thể được thiết kế để hỗ trợ nhiều ứng dụng. Khi thiết kế và triển khai mạch ribbon ở tần số sóng milimet, các biện pháp phòng ngừa thích hợp phải được thực hiện để đạt được hiệu suất tối ưu và tránh các tín hiệu không cần thiết, chẳng hạn như các mẫu tín hiệu ký sinh liên quan đến vùng phủ sóng băng rộng. Việc lựa chọn vật liệu PCB đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của mạch ribbon ở tần số sóng milimet.

Lưu ý

Vì các mạch sóng milimet có bước sóng ngắn hơn, các tấm laminate mỏng thường được sử dụng. Tuy nhiên, ngay cả với vật liệu điện môi rất mỏng, các dây ruy băng và mạch nhiều lớp của chúng thường dày hơn các mạch microband hoặc GCPW ở một tần số nhất định. Ở tần số cao hơn, tính nhất quán của vật liệu điện môi PCB là rất quan trọng đối với tính nhất quán của truyền tín hiệu (mô phỏng có sự hỗ trợ của máy tính). Ở tần số sóng milimet, cấu trúc vật liệu điện môi nhiều lớp trong mạch dây ribbon sẽ có tổn thất điện môi và tổn thất chèn cao hơn so với các mạch microband và GCPW. Tuy nhiên, bằng cách chọn vật liệu mạch mất điện môi thấp hoặc yếu tố mất mát thấp (Df), mất chèn dây đai có thể được kiểm soát và giảm thiểu ngay cả ở tần số sóng milimet.

Đối với các mạch ribbon với tần số sóng milimet, độ nhám bề mặt của dây dẫn lá đồng có thể là một vấn đề do bước sóng nhỏ và thường được xử lý trên vật liệu điện môi mỏng hơn. Dây dẫn lá đồng thô hơn làm chậm sự lan truyền của sóng điện từ trong dây dẫn so với bề mặt dây dẫn lá đồng mịn hơn. Ngoài ra, sự không nhất quán về độ nhám của dây dẫn và bề mặt PCB dẫn đến những thay đổi trong các đặc tính truyền điện từ của tín hiệu trên PCB, đặc biệt là các đặc tính pha ở tần số sóng milimet.

Sự thay đổi độ nhám của bề mặt đồng có thể dẫn đến những thay đổi trong tính phân tán của vật liệu PCB. Sự phân tán của PCB là một chức năng của chất dẫn và vật liệu điện môi. Sự phân tán không nhất quán có thể không ảnh hưởng đến các mạch ở tần số vô tuyến hoặc thậm chí là tần số vi sóng, nhưng nó gây ra những thay đổi trong phản ứng pha của một số mạch nhạy cảm với điều này ở tần số sóng milimet.

So với chuyển đổi tín hiệu tương đối đơn giản từ đầu nối đồng trục sang mạch microband hoặc GCPW, mạch ribbon đòi hỏi sự chuẩn bị thích hợp để thực hiện chuyển đổi tín hiệu hiệu quả từ đầu nối đồng trục sang PCB. Trong các mạch vi băng, giả sử rằng dây dẫn trung tâm của đầu nối và dây truyền mạch với một mặt phẳng nối đất duy nhất có cùng trở kháng (ví dụ 50 μ), kết nối trực tiếp thường có thể truyền năng lượng tín hiệu hiệu quả từ đầu nối đến mạch.

Bởi vì mặt phẳng tín hiệu của mạch ribbon không nằm trên bề mặt, việc chuyển đổi tín hiệu từ đầu nối đồng trục sang mạch ribbon đòi hỏi nhiều nỗ lực. Để kết nối dây dẫn trung tâm của đầu nối với dây dẫn mạch ribbon, điều này chỉ có thể được thực hiện bằng cách kim loại hóa thông qua lỗ (PTH). Do bước sóng nhỏ của tần số hoạt động, nguồn cấp tín hiệu hoặc quá trình chuyển đổi từ dây dẫn trung tâm của đầu nối đến mặt phẳng tín hiệu ribbon thường đi qua các lỗ kim loại có đường kính cực nhỏ. Để tạo ra một mặt đất đồng đều trong mạch ribbon, một lỗ thông qua PTH tương tự thường được sử dụng để kết nối mặt đất trên và dưới của mạch để giảm thiểu khả năng chênh lệch mật độ dòng điện giữa các mặt đất khác nhau. Tất nhiên, điều quan trọng là cố gắng giảm thiểu độ dài của PTH chuyển tiếp. Trong mạch ribbon, bất kỳ độ dài không mong muốn nào trong đường dẫn tín hiệu có thể dẫn đến giảm phản xạ và mất mát trở lại, hoặc thậm chí tạo ra tín hiệu ký sinh hoặc hài hòa.

Loại laminate nào là tốt nhất cho mạch ribbon với tần số sóng milimet? Một ví dụ về điều này là Rogers RO3003 Laminate, một vật liệu composite polytetrafluoroethylene (PTFE) bằng gốm. Hằng số điện môi của toàn bộ vật liệu được duy trì trong vòng 3,00 ± 0,04 và có tính nhất quán cần thiết cho mạch băng tần sóng milimet của radar ô tô 77GHz. RO3003 laminate có độ ổn định nhiệt độ tuyệt vời với Df thấp đến 0,0010 ở 10GHz. Đồng thời, vật liệu cũng có hệ số giãn nở nhiệt nhất quán (CTE) trên ba trục. Tính nhất quán CTE có thể đảm bảo rằng các lỗ thông cực nhỏ trong dải tần số sóng milimet duy trì tính toàn vẹn và các lỗ thông cao trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ. Độ tin cậy.