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 của mạch ở 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 đường vi băng, ống dẫn sóng đồng mặt nối đất (GCPW) hoặc thậm chí là ống dẫn sóng hình chữ nhật, nhưng hiệu suất của các đường băng là gì? 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 bên ngoài của lớp điện môi được bao quanh bởi một lớp che chắn kim loại ở trên và dưới. Các cấu trúc xếp chồng lên nhau 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 có thể đạt được ở tần số sóng RF, vi sóng và milimet (tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu PCB).

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

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

Giống như các định dạng đường truyền khác, mạch ribbon sẽ co lại khi tần số tăng lên để phù hợp với các mạch có bước sóng nhỏ 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 tốt nhất có thể 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 băng tần sóng milimet.

Những điều cần 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 mạch ribbon ở 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. So với bề mặt nhẵn hơn của dây dẫn lá đồng, bề mặt của dây dẫn lá đồng càng thô, tốc độ truyền sóng điện từ trong dây dẫn sẽ chậm lại. Ngoài ra, sự không nhất quán về độ nhám bề mặt của dây dẫn và PCB dẫn đến những thay đổi trong các đặc tính truyền điện từ của tín hiệu trên PCB, đặc biệt là trong 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 RF hoặc thậm chí 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 việc 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 hòn đảo), 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 ribbon, nó chỉ có thể được thực hiện bằng cách metallizing over-pore (PTH). Do bước sóng nhỏ của tần số hoạt động, nguồn cấp tín hiệu hoặc chuyển đổi từ dây dẫn trung tâm của đầu nối sang mặt phẳng tín hiệu ribbon thường thông qua quá trình kim loại hóa với đường kính cực nhỏ. Để tạo ra một mặt phẳng mặt đất đồng nhất trong một mạch ribbon, các lỗ thủng PTH tương tự thường được sử dụng để kết nối các mặt phẳng mặt đất trên và dưới của mạch để giảm thiểu khả năng chênh lệch mật độ dòng điện trong các mặt phẳng mặt đất khác nhau. Tất nhiên, điều quan trọng là giảm thiểu chiều 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 phù hợp nhất với mạch ribbon ở tần số sóng milimet? Một ví dụ là tấm laminate Rogersã RO3003ã, một vật liệu composite bằng gốm được làm đầy bằng polytetrafluoroethylene (PTFE). 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. Laminate RO3003 có Df thấp tới 0,0010 ở 10GHz và có độ ổn định nhiệt độ tuyệt vời. Đồng thời, vật liệu cũng có hệ số giãn nở nhiệt nhất quán (CTE) trên ba trục. Tính nhất quán của CTE có thể đảm bảo rằng các lỗ quá nhỏ trong dải tần số sóng milimet có thể duy trì tính toàn vẹn và cao trong toàn bộ dải nhiệt độ. Độ tin cậy