Tutto sulla Tangente di Perdita nelle PCB: Cosa Significa e Quando è Importante

Le perdite in un collegamento interconnesso di un PCB si presentano in molte forme. Queste includono perdite dielettriche dovute al substrato del PCB e perdite sui conduttori, che si combinano in un modo unico per determinare l'impedenza dell'interconnessione. Questi termini sono anche funzioni complesse della frequenza, riflettendo la natura della dispersione in un PCB reale. Quando osserviamo il substrato del PCB e i conduttori, possiamo dividere le nostre perdite in due categorie e concentrarci su ciascuna durante la progettazione.

Delle due categorie di perdite nei tuoi collegamenti interconnessi, il tangente di perdita di un PCB dominerà le perdite dielettriche nei laminati isolanti disponibili commercialmente. Quando includi i valori del tangente di perdita nei modelli per le funzioni di trasferimento, i parametri S o l'impedenza, avrai bisogno di usare il giusto insieme di equazioni per lavorare correttamente con i tangenti di perdita del PCB. Ecco perché il tangente di perdita è importante e cosa influenza nel tuo PCB.

Equazioni per il Tangente di Perdita del PCB

I valori del tangente di perdita del PCB incorporano alcuni possibili contributi alle frequenze tipiche utilizzate nell'industria:

• Polarizzazione e rilassamento.Questo si verifica a causa dell'eccitazione e dell'oscillazione delle cariche elettriche legate negli atomi che compongono i materiali del substrato. Ogni volta che un campo si propaga lungo una traccia, eccita gli atomi nel substrato e causa queste oscillazioni.
• Conducibilità parassita nel substrato. Ogni materiale ha una certa conduttività elettrica, anche se estremamente piccola (nel caso degli isolanti). Per i substrati delle PCB, il valore è di ~10-11 S/m, quindi la conduttività è normalmente ignorata per i substrati PCB disponibili commercialmente.
• Effetti della tessitura delle fibre. Le cavità nella tessitura di vetro di un laminato PCB produrranno risonanze e anti-risonanze a basso Q, dove certe frequenze sperimentano interferenze costruttive o distruttive. Questo aumenta le perdite mentre le onde elettromagnetiche viaggiano sul laminato PCB.

Altri effetti come la diffusione diventeranno prominenti man mano che iniziamo a muoverci nel regime degli alti GHz e, eventualmente, nel regime dei THz, dove saranno richiesti materiali alternativi. Le perdite del conduttore sono composte da perdite in corrente continua (caduta IR) e perdite in corrente alternata (effetto pelle e rugosità del rame), sebbene la rugosità del rame abbia un effetto anche sulle perdite dielettriche, che verranno discusse di seguito.

I valori del tangente di perdita del PCB derivano dalla costante dielettrica del substrato. Se si consultano la maggior parte dei testi di ingegneria, la definizione di una costante dielettrica (valore Dk) presenta un fastidioso segno negativo, ed è ancora un mistero per me perché questo sia presente nella versione della costante Dk dell'ingegnere elettrico. Sembra che gli ingegneri elettrici preferiscano che il tempo corra all'indietro nelle esponenziali complesse. Ho fornito di seguito le definizioni corrette per la costante dielettrica e il tangente di perdita.

Modellazione e Controllo delle Perdite del Sistema

Quando è il momento di modellare le perdite di interconnessione a diverse frequenze nella tua banda di segnale, devi conoscere la costante di propagazione per le tue linee di trasmissione. Qui, possiamo prendere un paio di equazioni dal libro di testo di Ingegneria delle Microonde di Pozar. Se prendiamo la costante di propagazione sulla linea di trasmissione come γ = α + iꞵ, possiamo derivare le seguenti equazioni per la costante di propagazione:

Ora conosciamo tutto ciò che è relativo alle perdite dielettriche nella linea di trasmissione! Per includere le perdite del conduttore, calcola semplicemente una costante di attenuazione per le perdite del conduttore e aggiungila al termine α sopra.

Come designer, hai solo due leve che puoi utilizzare per ridurre le perdite: la selezione del substrato e la geometria delle tracce. Selezionare un laminato a bassa perdita è un buon punto di partenza, ma assicurati che i datasheet siano accurati e forniscano dati che corrispondano alla larghezza di banda del tuo segnale (vedi sotto). Se le perdite sono un problema negli strati interni, considera il routing in microstrip o in guida d'onda coplanare con messa a terra. Quest'ultimo offre un'alta isolazione quando si lavora con segnali digitali/RF a banda larga. Gli altri fattori che contribuiscono alle perdite dielettriche e all'angolo di perdita del PCB possono essere risolti solo dai produttori di laminati (vedi sotto) e dai fabbricanti.

Infine, c'è l'effetto della rugosità del rame sulle perdite. L'effetto base della rugosità del rame è quello di aumentare le perdite dielettriche così come le perdite in AC. Le superfici ruvide del rame diminuiranno l'estensione della guida d'onda, facendo apparire la guida d'onda più perdente rispetto al valore reale dell'angolo di perdita del PCB. Questo è mostrato graficamente sotto; il valore HRMS è la radice quadrata media della rugosità superficiale sul conduttore. Una superficie più ruvida confina effettivamente il campo in un volume più piccolo, aumentando così le perdite.

Modellazione di Dk e Angolo di Perdita del PCB per Laminati

Coloro che tra il pubblico hanno ascoltato uno qualsiasi dei podcast e seminari di John Coonrod dovrebbero sapere dell'asterisco che dovrebbe essere posto accanto ai valori di Dk nei fogli dati dei laminati. Prima di tutto, i valori di Dk e tangente di perdita che si ottengono da un foglio dati di laminato PCB dipendono dal test che è stato eseguito per misurarli. Test diversi con lo stesso laminato nelle stesse condizioni possono produrre valori differenti di Dk e tangente di perdita.

Questo accade perché le curve di Dk e tangente di perdita raccolte da un esperimento dipendono dalla distribuzione del campo elettrico nel laminato e nell'aria o maschera di saldatura circostante. Questo è il motivo per cui i microstrip e le guide d'onda superficiali sono descritti utilizzando un valore di Dk “effettivo”; le linee di campo dalla traccia passano attraverso la maschera di saldatura e l'aria sopra la scheda prima di terminare sul piano di riferimento. Quindi, è necessario utilizzare un qualche calcolo per inferire il vero valore di Dk e tangente di perdita nel laminato a una specifica frequenza.

Assicurati di dedicare tempo a comprendere i valori e le procedure di test presenti nei datasheet dei materiali prima di iniziare a eseguire simulazioni dal tuo progetto. Se riesci a inserire i valori corretti, puoi utilizzare il risolutore integrato di campo EM in Altium Designer® per sviluppare profili di impedenza accurati a partire dai dati di tangente di perdita del PCB. Avrai a disposizione un set completo di funzionalità di simulazione e strumenti di layout PCB di classe mondiale per aiutarti a progettare il tuo prossimo PCB.

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