Tất cả về Hệ số Mất mát của PCB: Ý nghĩa và Khi nào nó Quan trọng

Sự mất mát trong kết nối PCB có nhiều hình thức khác nhau. Bao gồm sự mất mát điện mô do lớp cơ sở PCB và sự mất mát trên các dẫn điện, cả hai yếu tố này kết hợp theo một cách đặc biệt để xác định trở kháng kết nối. Những thuật ngữ này cũng là các hàm số phức của tần số, phản ánh bản chất của sự phân tán trong một PCB thực tế. Khi chúng ta xem xét lớp cơ sở PCB và các dẫn điện, chúng ta có thể chia sự mất mát của mình thành hai loại và tập trung vào từng loại trong quá trình thiết kế.

Trong hai loại sự mất mát trong kết nối của bạn, góc mất mát của PCB sẽ chiếm ưu thế trong sự mất mát điện mô trong các lớp cách điện có sẵn trên thị trường. Khi bao gồm các giá trị góc mất mát vào các mô hình cho các hàm chuyển đổi, S-parameters, hoặc trở kháng, bạn sẽ cần sử dụng đúng bộ phương trình để làm việc với góc mất mát PCB một cách chính xác. Đây là lý do tại sao góc mất mát quan trọng và nó ảnh hưởng như thế nào đến PCB của bạn.

Các Phương Trình cho Góc Mất Mát PCB

Giá trị góc mất mát PCB bao gồm một số đóng góp có thể xảy ra ở các tần số thường được sử dụng trong ngành:

• Sự cực hóa và thư giãn.Điều này xảy ra do sự kích thích và dao động của các điện tích ràng buộc trong các nguyên tử tạo nên vật liệu nền. Bất cứ khi nào một trường lan truyền dọc theo một đường dẫn, nó kích thích các nguyên tử trong vật liệu nền và gây ra những dao động này.
• Dẫn điện lạc đường trong vật liệu nền. Mọi vật liệu đều có một số độ dẫn điện, ngay cả khi nó rất nhỏ (trong trường hợp của các chất cách điện). Đối với vật liệu nền PCB, giá trị là ~10-11 S/m, vì vậy độ dẫn điện thường được bỏ qua đối với vật liệu nền PCB có sẵn trên thị trường.
• Hiệu ứng sợi dệt. Các khoảng trống trong lớp dệt thủy tinh của một lớp phủ PCB sẽ tạo ra các cộng hưởng và phản cộng hưởng thấp-Q, nơi mà một số tần số sẽ trải qua sự can thiệp xây dựng hoặc phá hủy. Điều này làm tăng tổn thất khi sóng điện từ di chuyển qua lớp phủ PCB.

Các hiệu ứng khác như tán xạ sẽ trở nên nổi bật khi chúng ta bắt đầu chuyển sang chế độ GHz cao và cuối cùng là vào chế độ THz, nơi mà các vật liệu thay thế sẽ được yêu cầu. Tổn thất dẫn điện bao gồm tổn thất DC (Sụt áp IR) và tổn thất AC (hiệu ứng bề mặt và độ nhám đồng), mặc dù độ nhám đồng có ảnh hưởng đến tổn thất điện môi, điều này sẽ được thảo luận bên dưới.

Giá trị tangent mất mát của PCB được suy ra từ hằng số điện môi của vật liệu nền. Nếu bạn xem qua hầu hết các tài liệu kỹ thuật, định nghĩa của hằng số điện môi (giá trị Dk) có một dấu trừ khó chịu, và tôi vẫn chưa hiểu tại sao dấu này lại xuất hiện trong phiên bản Dk của kỹ sư điện. Có vẻ như các kỹ sư điện thích thời gian chạy ngược trong các số mũ phức. Tôi đã cung cấp các định nghĩa chính xác cho hằng số điện môi và tangent mất mát ở dưới đây.

Mô hình hóa và Kiểm soát Mất mát Hệ thống

Khi đến lúc mô hình hóa mất mát kết nối tại các tần số khác nhau trong băng thông tín hiệu của bạn, bạn cần biết hằng số truyền dẫn cho các đường truyền của mình. Tại đây, chúng ta có thể lấy một vài phương trình từ sách giáo trình Kỹ thuật Vi sóng của Pozar. Nếu chúng ta lấy hằng số truyền dẫn trên đường truyền là γ = α + iꞵ, chúng ta có thể suy ra các phương trình sau cho hằng số truyền dẫn:

Chúng ta giờ đây biết mọi thứ liên quan đến mất mát điện môi trong đường truyền! Để bao gồm mất mát dẫn, chỉ cần tính một hằng số suy giảm cho mất mát dẫn và thêm nó vào thuật ngữ α ở trên.

Là một nhà thiết kế, bạn chỉ có hai cần gạt mà bạn có thể sử dụng để giảm thiểu tổn thất: lựa chọn vật liệu nền và hình dạng dấu vết. Việc chọn một vật liệu lót ít tổn thất là một điểm xuất phát tốt, nhưng hãy đảm bảo rằng bảng dữ liệu chính xác và cung cấp dữ liệu phù hợp với băng thông tín hiệu của bạn (xem bên dưới). Nếu tổn thất là một vấn đề ở các lớp bên trong, hãy xem xét việc định tuyến microstrip hoặc dẫn sóng đồng trục có tiếp địa. Phương pháp sau đây cung cấp sự cô lập cao khi làm việc với tín hiệu số/băng thông rộng RF. Các yếu tố khác góp phần vào tổn thất điện mô và góc tổn thất PCB chỉ có thể được giải quyết bởi các nhà sản xuất vật liệu lót (xem bên dưới) và nhà sản xuất.

Cuối cùng, có tác động của độ nhám đồng đối với tổn thất. Tác động cơ bản của độ nhám đồng là tăng tổn thất điện mô cũng như tổn thất AC. Bề mặt đồng nhám sẽ giảm phạm vi của dẫn sóng, khiến dẫn sóng xuất hiện tổn thất nhiều hơn so với giá trị góc tổn thất PCB thực tế sẽ tạo ra. Điều này được thể hiện một cách đồ họa bên dưới; giá trị HRMS là giá trị bình phương trung bình của độ nhám bề mặt trên dẫn điện. Một bề mặt nhám hơn hiệu quả làm giới hạn trường đến một thể tích nhỏ hơn, do đó tăng tổn thất.

Mô hình hóa Dk và Góc Tổn Thất PCB cho Vật Liệu Lót

Những người trong khán giả đã từng nghe bất kỳ podcast hay seminar nào của John Coonrod đều nên biết về dấu hoa thị cần được đặt cạnh giá trị Dk trong bảng dữ liệu laminate. Đầu tiên, giá trị Dk và hệ số mất mát bạn nhận được từ bảng dữ liệu laminate PCB phụ thuộc vào bài kiểm tra đã được thực hiện để đo lường chúng. Các bài kiểm tra khác nhau với cùng một laminate dưới cùng điều kiện có thể cho ra các giá trị Dk và hệ số mất mát khác nhau.

Điều này xảy ra bởi vì các đường cong Dk và hệ số mất mát thu được từ thí nghiệm phụ thuộc vào sự phân bố của trường điện trong laminate và không khí/mặt nạ hàn xung quanh. Đây là lý do tại sao microstrips và hướng dẫn sóng bề mặt được mô tả bằng giá trị Dk “hiệu quả”; các đường sức từ dấu vết đi qua mặt nạ hàn và không khí phía trên bảng trước khi chúng kết thúc tại mặt phẳng tham chiếu. Sau đó, cần phải sử dụng một số phép tính để suy luận giá trị Dk thực sự và hệ số mất mát trong laminate tại một tần số cụ thể.

Hãy chắc chắn dành thời gian để hiểu rõ các giá trị và quy trình kiểm tra được đặt trong bảng dữ liệu vật liệu trước khi bạn bắt đầu thực hiện mô phỏng từ thiết kế của mình. Nếu bạn có thể nhập đúng giá trị, bạn có thể sử dụng trình giải quyết trường EM tích hợp trong Altium Designer® để phát triển các hồ sơ trở kháng chính xác từ dữ liệu góc mất mát PCB. Bạn sẽ có một bộ đầy đủ các tính năng mô phỏng và tiện ích bố trí PCB hàng đầu thế giới để giúp bạn thiết kế PCB tiếp theo của mình.

Altium Designer trên Altium 365® mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử, trước đây chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ nhà và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.