Tudo Sobre a Tangente de Perda em PCBs: O que Significa e Quando é Importante

As perdas em uma interconexão de PCB apresentam várias formas. Estas incluem perdas dielétricas devido ao substrato do PCB e perdas nos condutores, ambas combinando de maneira única para determinar a impedância da interconexão. Esses termos também são funções complexas da frequência, refletindo a natureza da dispersão em um PCB real. Quando observamos o substrato do PCB e os condutores, podemos dividir nossas perdas em duas categorias e focar em cada uma durante o projeto.

Das duas categorias de perdas em suas interconexões, o tangente de perda de um PCB dominará as perdas dielétricas em laminados isolantes disponíveis comercialmente. Ao incluir valores de tangente de perda em modelos para funções de transferência, parâmetros S ou impedância, você precisará usar o conjunto correto de equações para trabalhar corretamente com tangentes de perda de PCB. Aqui está o porquê da tangente de perda ser importante e o que ela afeta no seu PCB.

Equações para Tangente de Perda de PCB

Os valores de tangente de perda de PCB incorporam algumas possíveis contribuições em frequências típicas usadas na indústria:

• Polarização e relaxamento.Isso ocorre devido à excitação e oscilação de cargas elétricas ligadas nos átomos que compõem os materiais do substrato. Sempre que um campo se propaga ao longo de um traço, ele excita os átomos no substrato e causa essas oscilações.
• Condutância dispersa no substrato. Todo material possui alguma condutividade elétrica, mesmo que seja extremamente pequena (no caso de isolantes). Para substratos de PCB, o valor é de ~10-11 S/m, então a condutividade é normalmente ignorada para substratos de PCB disponíveis comercialmente.
• Efeitos da trama de fibra. Cavidades na trama de vidro de um laminado de PCB produzirão ressonâncias e antirressonâncias de baixo Q, onde certas frequências experimentarão interferência construtiva ou destrutiva. Isso aumenta as perdas à medida que as ondas eletromagnéticas viajam sobre o laminado de PCB.

Outros efeitos como espalhamento se tornarão proeminentes à medida que começamos a entrar no regime de alta-GHz e, eventualmente, no regime de THz, onde materiais alternativos serão exigidos. As perdas do condutor são compostas de perdas DC (queda de IR) e perdas AC (efeito pelicular e asperidade do cobre), embora a asperidade do cobre tenha um efeito sobre as perdas dielétricas, que serão discutidas abaixo.

Os valores de tangente de perda de PCB são derivados da constante dielétrica do substrato. Se você consultar a maioria dos textos de engenharia, a definição de uma constante dielétrica (valor Dk) tem um sinal negativo incômodo, e ainda é um mistério para mim por que isso está presente na versão do engenheiro elétrico de Dk. Parece que os engenheiros elétricos preferem que o tempo corra para trás em exponenciais complexos. Eu forneci as definições corretas para a constante dielétrica e tangente de perda abaixo.

Modelagem e Controle de Perdas no Sistema

Quando chega a hora de modelar as perdas de interconexão em diferentes frequências na sua largura de banda de sinal, você precisa conhecer a constante de propagação para suas linhas de transmissão. Aqui, podemos pegar um par de equações do livro de Engenharia de Micro-ondas de Pozar. Se tomarmos a constante de propagação na linha de transmissão como γ = α + iꞵ, podemos derivar as seguintes equações para a constante de propagação:

Agora sabemos tudo relacionado às perdas dielétricas na linha de transmissão! Para incluir perdas de condutor, simplesmente calcule uma constante de atenuação para perdas de condutor e adicione-a ao termo α acima.

Como designer, você só tem duas alavancas que pode acionar para reduzir perdas: seleção de substrato e geometria do traçado. Selecionar um laminado de baixa perda é um bom ponto de partida, mas certifique-se de que as fichas técnicas sejam precisas e forneçam dados que correspondam à largura de banda do seu sinal (veja abaixo). Se as perdas forem um problema nas camadas internas, considere o roteamento em microstrip ou guia de onda coplanar aterrado. Este último oferece alta isolação ao trabalhar com sinais digitais/RF de banda larga. Os outros fatores que contribuem para as perdas dielétricas e o tangente de perda da PCB só podem ser resolvidos pelos fabricantes de laminados (veja abaixo) e fabricantes de PCB.

Por fim, há o efeito da aspereza do cobre sobre as perdas. O efeito básico da aspereza do cobre é aumentar as perdas dielétricas, bem como as perdas AC. As superfícies ásperas do cobre diminuirão o alcance do guia de onda, fazendo com que o guia de onda pareça mais perdedor do que o valor real do tangente de perda da PCB produziria. Isso é mostrado graficamente abaixo; o valor HRMS é a aspereza superficial média quadrática no condutor. Uma superfície mais áspera efetivamente confina o campo a um volume menor, aumentando assim as perdas.

Modelando Dk e Tangente de Perda da PCB para Laminados

Aqueles na audiência que já ouviram algum dos podcasts e seminários de John Coonrod devem saber sobre o asterisco que deve ser colocado ao lado dos valores de Dk em folhas de dados de laminados. Primeiro, os valores de Dk e tangente de perda que você obtém de uma folha de dados de laminado de PCB dependem do teste que foi realizado para medi-los. Testes diferentes com o mesmo laminado sob as mesmas condições podem produzir valores diferentes de Dk e tangente de perda.

Isso ocorre porque as curvas de Dk e tangente de perda obtidas de um experimento dependem da distribuição do campo elétrico no laminado e no ar/máscara de solda circundante. É por isso que microstrips e guias de onda de superfície são descritos usando um valor de Dk “efetivo”; as linhas de campo do traço passam pela máscara de solda e pelo ar acima da placa antes de terminarem no plano de referência. Algum cálculo então precisa ser usado para inferir o valor real de Dk e tangente de perda no laminado em uma frequência específica.

Certifique-se de dedicar tempo para entender os valores e procedimentos de teste colocados nas fichas técnicas dos materiais antes de começar a executar simulações a partir do seu projeto. Se você puder inserir os valores corretos, poderá usar o solucionador integrado de campo eletromagnético no Altium Designer® para desenvolver perfis de impedância precisos a partir dos dados de tangente de perda da PCB. Você terá um conjunto completo de recursos de simulação e utilitários de layout de PCB de classe mundial para ajudá-lo a projetar sua próxima PCB.

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