Todo sobre la tangente de pérdida de PCB: Qué significa y cuándo importa

Las pérdidas en una interconexión de PCB vienen en muchas formas. Estas incluyen pérdidas dieléctricas debido al sustrato del PCB y pérdidas en los conductores, ambas combinándose de una manera única para determinar la impedancia de interconexión. Estos términos también son funciones complejas de la frecuencia, reflejando la naturaleza de la dispersión en un PCB real. Cuando observamos el sustrato del PCB y los conductores, podemos dividir nuestras pérdidas en dos categorías y enfocarnos en cada una durante el diseño.

De las dos categorías de pérdidas en tus interconexiones, el tangente de pérdida de un PCB dominará las pérdidas dieléctricas en laminados aislantes disponibles comercialmente. Al incluir valores de tangente de pérdida en modelos para funciones de transferencia, parámetros S o impedancia, necesitarás usar el conjunto correcto de ecuaciones para trabajar con las tangentes de pérdida del PCB correctamente. Aquí está el porqué la tangente de pérdida importa y qué afecta en tu PCB.

Ecuaciones para la Tangente de Pérdida del PCB

Los valores de tangente de pérdida del PCB incorporan algunas posibles contribuciones a las frecuencias típicas usadas en la industria:

• Polarización y relajación.Esto surge debido a la excitación y oscilación de cargas eléctricas ligadas en los átomos que componen los materiales del sustrato. Siempre que un campo se propaga a lo largo de un trazo, excita los átomos en el sustrato y causa estas oscilaciones.
• Conductancia parásita en el sustrato. Cada material tiene cierta conductividad eléctrica, incluso si es extremadamente pequeña (en el caso de los aislantes). Para los sustratos de PCB, el valor es de ~10-11 S/m, por lo que normalmente se ignora la conductividad para los sustratos de PCB disponibles comercialmente.
• Efectos de la trama de fibra. Las cavidades en la trama de vidrio de un laminado de PCB producirán resonancias y antirresonancias de baja Q, donde ciertas frecuencias experimentarán interferencia constructiva o destructiva. Esto aumenta las pérdidas a medida que las ondas electromagnéticas viajan sobre el laminado de PCB.

Otros efectos como la dispersión se volverán prominentes a medida que comencemos a movernos hacia el régimen de alta-GHz y, eventualmente, hacia el régimen de THz, donde se demandarán materiales alternativos. Las pérdidas en los conductores se componen de pérdidas de CC (caída de IR) y pérdidas de CA (efecto piel y rugosidad del cobre), aunque la rugosidad del cobre sí tiene un efecto sobre las pérdidas dieléctricas, lo cual se discutirá más adelante.

Los valores del tangente de pérdida de PCB se derivan de la constante dieléctrica del sustrato. Si revisas la mayoría de los textos de ingeniería, la definición de una constante dieléctrica (valor Dk) tiene un molesto signo negativo, y aún es un misterio para mí por qué esto está presente en la versión de Dk del ingeniero eléctrico. Parece que a los ingenieros eléctricos les gusta que el tiempo corra hacia atrás en exponenciales complejas. He proporcionado las definiciones correctas para la constante dieléctrica y el tangente de pérdida a continuación.

Modelando y Controlando las Pérdidas del Sistema

Una vez que es momento de modelar las pérdidas de interconexión a diferentes frecuencias en tu ancho de banda de señal, necesitas conocer la constante de propagación para tus líneas de transmisión. Aquí, podemos tomar un par de ecuaciones del libro de texto de Ingeniería de Microondas de Pozar. Si tomamos la constante de propagación en la línea de transmisión como γ = α + iꞵ, podemos derivar las siguientes ecuaciones para la constante de propagación:

Ahora sabemos todo lo relacionado con las pérdidas dieléctricas en la línea de transmisión. Para incluir las pérdidas del conductor, simplemente calcula una constante de atenuación para las pérdidas del conductor y añádela al término α anterior.

Como diseñador, solo tienes dos palancas que puedes utilizar para reducir pérdidas: la selección del sustrato y la geometría de las pistas. Seleccionar un laminado de baja pérdida es un buen punto de partida, pero asegúrate de que las hojas de datos sean precisas y proporcionen datos que coincidan con el ancho de banda de tu señal (ver más abajo). Si las pérdidas son un problema en las capas internas, considera el enrutamiento en microstrip o en guía de onda coplanar con tierra. Este último ofrece alta aislación cuando se trabaja con señales digitales/RF de banda ancha. Los otros factores que contribuyen a las pérdidas dieléctricas y al tangente de pérdida de la PCB solo pueden ser resueltos por los fabricantes de laminados (ver más abajo) y los fabricantes de PCBs.

Finalmente, está el efecto de la rugosidad del cobre sobre las pérdidas. El efecto básico de la rugosidad del cobre es aumentar las pérdidas dieléctricas así como las pérdidas AC. Las superficies rugosas del cobre disminuirán la extensión de la guía de onda, haciendo que la guía de onda parezca más pérdida de lo que el valor verdadero del tangente de pérdida de la PCB produciría. Esto se muestra gráficamente a continuación; el valor HRMS es la rugosidad superficial media cuadrática en el conductor. Una superficie más rugosa confina efectivamente el campo a un volumen más pequeño, aumentando así las pérdidas.

Modelando Dk y el Tangente de Pérdida de la PCB para Laminados

Aquellos en la audiencia que hayan escuchado alguno de los podcasts y seminarios de John Coonrod deberían saber sobre el asterisco que debe colocarse junto a los valores de Dk en las hojas de datos de los laminados. Primero, los valores de Dk y tangente de pérdida que se obtienen de una hoja de datos de laminado de PCB dependen de la prueba que se realizó para medirlos. Diferentes pruebas con el mismo laminado bajo las mismas condiciones pueden arrojar diferentes valores de Dk y tangente de pérdida.

Esto ocurre porque las curvas de Dk y tangente de pérdida recopiladas de un experimento dependen de la distribución del campo eléctrico en el laminado y el aire/máscara de soldadura circundante. Es por esto que los microstrips y guías de onda superficiales se describen usando un valor de Dk "efectivo"; las líneas de campo del trazo pasan a través de la máscara de soldadura y el aire sobre la placa antes de que terminen en el plano de referencia. Entonces, se necesita algún cálculo para inferir el verdadero valor de Dk y tangente de pérdida en el laminado a una frecuencia específica.

Asegúrate de tomarte el tiempo para entender los valores y procedimientos de prueba que se indican en las hojas de datos de los materiales antes de comenzar a ejecutar simulaciones desde tu diseño. Si puedes ingresar los valores correctos, puedes usar el solucionador de campos electromagnéticos integrado en Altium Designer® para desarrollar perfiles de impedancia precisos a partir de los datos de tangente de pérdida de PCB. Tendrás un conjunto completo de características de simulación y utilidades de diseño de PCB de clase mundial para ayudarte a diseñar tu próximo PCB.

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