Все о тангенсе угла потерь в печатных платах: что это значит и когда это важно

Потери в межсоединениях печатной платы имеют множество форм. К ним относятся диэлектрические потери из-за подложки печатной платы и потери на проводниках, которые в уникальном сочетании определяют импеданс соединения. Эти термины также являются сложными функциями частоты, что отражает природу дисперсии в реальной печатной плате. Рассматривая подложку печатной платы и проводники, мы можем разделить наши потери на две категории и сосредоточиться на каждой из них во время проектирования.

Из двух категорий потерь в ваших соединениях, тангенс угла потерь печатной платы будет доминировать в диэлектрических потерях в коммерчески доступных изоляционных ламинациях. При включении значений тангенса угла потерь в модели для передаточных функций, S-параметров или импеданса, вам нужно будет использовать правильный набор уравнений для корректной работы с тангенсом угла потерь печатной платы. Вот почему тангенс угла потерь важен и что он влияет на вашу печатную плату.

Уравнения для тангенса угла потерь печатной платы

Значения тангенса угла потерь печатной платы включают несколько возможных вкладов на типичных частотах, используемых в отрасли:

• Поляризация и релаксация.Это возникает из-за возбуждения и колебаний связанных электрических зарядов в атомах, составляющих материалы подложки. Когда поле распространяется вдоль дорожки, оно возбуждает атомы в подложке и вызывает эти колебания.
• Паразитная проводимость в подложке. Каждый материал обладает некоторой электрической проводимостью, даже если она крайне мала (в случае изоляторов). Для подложек печатных плат значение составляет ~10-11 См/м, поэтому проводимость обычно игнорируется для коммерчески доступных подложек печатных плат.
• Эффекты волоконной текстуры. Полости в стекловолоконной ткани ламината печатной платы будут производить резонансы и антирезонансы с низким добротностью, где определенные частоты будут испытывать конструктивное или деструктивное вмешательство. Это увеличивает потери по мере прохождения электромагнитных волн через ламинат печатной платы.

Другие эффекты, такие как рассеяние, станут заметными, когда мы начнем переходить в высокочастотный диапазон ГГц и, в конечном итоге, в диапазон ТГц, где будут востребованы альтернативные материалы. Потери проводника состоят из постоянных потерь (падение IR) и переменных потерь (скин-эффект и шероховатость меди), хотя шероховатость меди также влияет на диэлектрические потери, которые будут обсуждены ниже.

Значения тангенса угла потерь ПП (печатной платы) выводятся из диэлектрической постоянной субстрата. Если просмотреть большинство инженерных текстов, определение диэлектрической постоянной (значение Dk) имеет неприятный минусовой знак, и мне до сих пор загадка, почему он присутствует в версии Dk, используемой электротехниками. Похоже, что электроинженеры предпочитают, чтобы время шло вспять в комплексных экспонентах. Ниже я предоставил правильные определения для диэлектрической постоянной и тангенса угла потерь.

Моделирование и контроль потерь в системе

Когда приходит время моделировать потери на соединениях при различных частотах в полосе пропускания вашего сигнала, вам нужно знать постоянную распространения для ваших линий передачи. Здесь мы можем взять пару уравнений из учебника по микроволновой инженерии Позара. Если мы примем постоянную распространения в линии передачи за γ = α + iꞵ, мы можем вывести следующие уравнения для постоянной распространения:

Теперь мы знаем все, что связано с диэлектрическими потерями в линии передачи! Чтобы включить потери на проводнике, просто рассчитайте постоянную затухания для потерь на проводнике и добавьте ее в вышеупомянутый термин α.

Как дизайнер, у вас есть только два рычага, которые вы можете использовать для уменьшения потерь: выбор подложки и геометрия дорожек. Выбор ламината с низкими потерями - хорошее начало, но убедитесь, что технические данные точны и предоставляют информацию, соответствующую полосе пропускания вашего сигнала (см. ниже). Если потери во внутренних слоях являются проблемой, рассмотрите возможность использования микрополосковой разводки или заземленного копланарного волновода. Последний обеспечивает высокую изоляцию при работе с широкополосными цифровыми/РЧ сигналами. Другие факторы, влияющие на диэлектрические потери и тангенс угла потерь печатной платы, могут быть решены только производителями ламинатов (см. ниже) и изготовителями.

Наконец, есть эффект шероховатости меди на потери. Основное воздействие шероховатости меди заключается в увеличении диэлектрических потерь, а также потерь на переменном токе. Шероховатые поверхности меди уменьшат протяженность волновода, делая волновод более потерянным, чем это было бы при истинном значении тангенса угла потерь печатной платы. Это показано графически ниже; значение HRMS - это среднеквадратичное значение шероховатости поверхности проводника. Более шероховатая поверхность эффективно ограничивает поле меньшим объемом, тем самым увеличивая потери.

Моделирование Dk и тангенса угла потерь печатной платы для ламинатов

Те, кто в аудитории слушал любые из подкастов и семинаров Джона Кунрода, должны знать об астериске, который следует ставить рядом с значениями Dk в технических листах ламината. Во-первых, значения Dk и тангенса потерь, которые вы получаете из технического листа ламината для печатных плат, зависят от теста, который был проведен для их измерения. Различные тесты с одним и тем же ламинатом в одинаковых условиях могут дать разные значения Dk и тангенса потерь.

Это происходит потому, что кривые Dk и тангенса потерь, полученные в эксперименте, зависят от распределения электрического поля в ламинате и окружающем воздухе/паяльной маске. Вот почему для микрополос и поверхностных волноводов используется значение "эффективного" Dk; линии поля от дорожки проходят через паяльную маску и воздух над платой, прежде чем они заканчиваются на опорной плоскости. Затем необходимо использовать некоторые расчеты, чтобы вывести реальное значение Dk и тангенс потерь в ламинате на определенной частоте.

Обязательно уделите время для понимания значений и процедур испытаний, указанных в технических описаниях материалов, прежде чем начинать проводить симуляции из вашего проекта. Если вы сможете ввести правильные значения, то сможете использовать интегрированный решатель электромагнитного поля в Altium Designer® для разработки точных профилей импеданса на основе данных о потерях в диэлектрике ПП. У вас будет полный набор функций симуляции и утилит для разработки печатных плат мирового класса, чтобы помочь вам спроектировать вашу следующую печатную плату.

Altium Designer на Altium 365® обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции для электронной промышленности, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.