Wszystko o tangensie strat PCB: Co to oznacza i kiedy ma znaczenie

Straty w połączeniach PCB przyjmują różne formy. Obejmują one straty dielektryczne spowodowane podłożem PCB oraz straty na przewodnikach, które łączą się w unikalny sposób, określając impedancję połączenia. Te terminy są również złożonymi funkcjami częstotliwości, odzwierciedlającymi naturę dyspersji w rzeczywistym PCB. Kiedy przyglądamy się podłożu PCB i przewodnikom, możemy podzielić nasze straty na dwie kategorie i skupić się na każdej z nich podczas projektowania.

Z dwóch kategorii strat w twoich połączeniach, tangens kąta strat PCB będzie dominować nad stratami dielektrycznymi w komercyjnie dostępnych laminatach izolacyjnych. Przy włączaniu wartości tangensa kąta strat w modele dla funkcji transferu, parametrów S lub impedancji, będziesz musiał użyć odpowiedniego zestawu równań, aby poprawnie pracować z tangensem kąta strat PCB. Oto dlaczego tangens kąta strat ma znaczenie i co wpływa na twoje PCB.

Równania dla Tangensa Kąta Strat PCB

Wartości tangensa kąta strat PCB zawierają kilka możliwych wkładów przy typowych częstotliwościach używanych w branży:

• Polaryzacja i relaksacja.Wynika to z pobudzenia i oscylacji związanych ładunków elektrycznych w atomach, które tworzą materiały podłoża. Kiedy pole propaguje wzdłuż ścieżki, pobudza atomy w podłożu i powoduje te oscylacje.
• Stray conductance w podłożu. Każdy materiał posiada pewną przewodność elektryczną, nawet jeśli jest ona bardzo mała (w przypadku izolatorów). Dla podłoży PCB wartość ta wynosi ~10-11 S/m, więc przewodność jest zwykle ignorowana dla komercyjnie dostępnych podłoży PCB.
• Wpływ splotu włókien. Próżnie w szklanym splocie laminatu PCB mogą produkować rezonanse i antyrezonanse o niskim Q, gdzie pewne częstotliwości będą doświadczać konstruktywnej lub destruktywnej interferencji. To zwiększa straty, gdy fale elektromagnetyczne podróżują przez laminat PCB.

Inne efekty, takie jak rozpraszanie, staną się wyraźne, gdy zaczniemy przechodzić do wysokiego zakresu GHz, a ostatecznie do zakresu THz, gdzie będą wymagane alternatywne materiały. Stratności przewodnika składają się ze strat DC (spadek IR) oraz strat AC (efekt skóry i szorstkość miedzi), chociaż szorstkość miedzi ma również wpływ na straty dielektryczne, co zostanie omówione poniżej.

Wartości tangensa strat PCB są pochodne od stałej dielektrycznej substratu. Jeśli przejrzysz większość tekstów inżynierskich, definicja stałej dielektrycznej (wartość Dk) zawiera dokuczliwy znak ujemny, i nadal jest dla mnie zagadką, dlaczego jest on obecny w wersji Dk dla inżynierów elektryków. Wydaje się, że inżynierowie elektrycy preferują, aby czas biegł do tyłu w złożonych wykładnikach. Poniżej podałem poprawne definicje dla stałej dielektrycznej i tangensa strat.

Modelowanie i kontrolowanie strat w systemie

Gdy nadejdzie czas na modelowanie strat połączeń przy różnych częstotliwościach w paśmie sygnału, musisz znać stałą propagacji dla swoich linii transmisyjnych. Tutaj możemy skorzystać z kilku równań z podręcznika "Inżynieria mikrofalowa" Pozara. Jeśli przyjmiemy, że stała propagacji na linii transmisyjnej to γ = α + iꞵ, możemy wyprowadzić następujące równania dla stałej propagacji:

Teraz wiemy wszystko, co związane ze stratami dielektrycznymi w linii transmisyjnej! Aby uwzględnić straty przewodnika, po prostu oblicz stałą tłumienia dla strat przewodnika i dodaj ją do wyrazu α powyżej.

Jako projektant, masz do dyspozycji tylko dwie dźwignie, które możesz wykorzystać do zmniejszenia strat: wybór podłoża i geometrię ścieżek. Wybór laminatu o niskich stratach jest dobrym punktem wyjścia, ale upewnij się, że karty katalogowe są dokładne i dostarczają danych odpowiadających pasmu sygnału, z którym pracujesz (patrz poniżej). Jeśli straty są problemem w warstwach wewnętrznych, rozważ trasowanie mikropaskowe lub z uziemionym falowodem koplanarnym. Ten ostatni zapewnia wysoką izolację przy pracy z szerokopasmowymi sygnałami cyfrowymi/RF. Inne czynniki, które przyczyniają się do strat dielektrycznych i tangensu strat PCB, mogą być rozwiązane tylko przez producentów laminatów (patrz poniżej) i producentów płytek.

Ostatecznie, istnieje efekt szorstkości miedzi na straty. Podstawowy efekt szorstkości miedzi polega na zwiększeniu strat dielektrycznych oraz strat AC. Szorstkie powierzchnie miedzi zmniejszą rozpiętość falowodu, sprawiając, że falowód wydaje się bardziej stratny, niż wynikałoby to z rzeczywistej wartości tangensu strat PCB. Jest to pokazane graficznie poniżej; wartość HRMS to średnia kwadratowa szorstkości powierzchni przewodnika. Szorstka powierzchnia skutecznie ogranicza pole do mniejszej objętości, zwiększając tym samym straty.

Modelowanie Dk i tangensu strat PCB dla laminatów

Osoby w publiczności, które słuchały jakichkolwiek podcastów i seminariów Johna Coonroda, powinny wiedzieć o gwiazdce, która powinna być umieszczona obok wartości Dk w kartach danych laminatów. Po pierwsze, wartości Dk i tangens strat, które otrzymujesz z karty danych laminatu PCB, zależą od testu, który został przeprowadzony, aby je zmierzyć. Różne testy z tym samym laminatem w tych samych warunkach mogą dać różne wartości Dk i tangensu strat.

To dzieje się dlatego, że krzywe Dk i tangensu strat uzyskane z eksperymentu zależą od rozkładu pola elektrycznego w laminacie i otaczającym powietrzu/masce lutowniczej. Dlatego mikropaski i falowody powierzchniowe opisuje się za pomocą "efektywnej" wartości Dk; linie pola od śladu przechodzą przez maskę lutowniczą i powietrze nad płytą, zanim zakończą się na płaszczyźnie odniesienia. Następnie potrzebne jest pewne obliczenie, aby wywnioskować rzeczywistą wartość Dk i tangens strat w laminacie przy określonej częstotliwości.

Upewnij się, że poświęcisz czas na zrozumienie wartości i procedur testowych zawartych w kartach danych materiałów, zanim zaczniesz uruchamiać symulacje z Twojego projektu. Jeśli wprowadzisz odpowiednie wartości, możesz użyć zintegrowanego rozwiązania do obliczeń pola EM w Altium Designer®, aby opracować dokładne profile impedancji na podstawie danych o tłumienności PCB. Będziesz miał do dyspozycji kompletny zestaw funkcji symulacyjnych i narzędzi do projektowania PCB światowej klasy, które pomogą Ci zaprojektować Twoją następną płytę PCB.

Altium Designer na Altium 365® zapewnia niespotykany dotąd poziom integracji w branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, umożliwiając projektantom pracę z domu i osiąganie niespotykanych poziomów efektywności.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jeden z Webinarów na Żądanie.