Arrêter la perte de signal dans les PCB à haute fréquence: des stratégies de matériaux et de conception qui fonctionnent

Dans l'électronique haute fréquence, où les signaux courent à 10 GHz et au-delà, même une perte de 1 dB peut nuire aux performances.ou un émetteur-récepteur satellite peut ne pas transmettre de donnéesLa perte de signal n'est pas seulement gênante, c'est un point critique de défaillance.s'assurer que votre PCB haute fréquence fonctionne comme prévuVoici comment le faire.

Pourquoi la perte de signal se produit dans les PCB à haute fréquence

La perte de signal (souvent appelée perte d'insertion) dans les PCB à haute fréquence découle de trois principaux coupables.

a.Perte diélectrique: Énergie gaspillée sous forme de chaleur dans le substrat de PCB, causée par la constante diélectrique (Dk) et la tangente de perte (Df) du matériau.
b. Perte de conducteur: résistance aux traces de cuivre, aggravée par l'effet de la peau (signaux à haute fréquence circulant sur les traces de surface) et la rugosité de la surface.
c. Perte de rayonnement: Signaux "fuyant" des traces dues à un mauvais routage, à un mise à la terre inadéquate ou à une longueur de trace excessive.

Les choix de matériaux: le fondement d'une performance à faible perte
Votre substrat de PCB est la première ligne de défense contre la perte de signal. Voici comment les matériaux supérieurs se comparent à 60 GHz (une fréquence d'onde mm commune pour 5G et radar):

Le PTFE et les matériaux Rogers réduisent les pertes totales de 65 à 73% par rapport au FR-4 à 60 GHz. Pour la plupart des conceptions à haute fréquence, Rogers RO4830 équilibre les performances et le coût.

Concevoir des stratégies pour minimiser les pertes de signal
Même les meilleurs matériaux ne peuvent pas surmonter une mauvaise conception.

1. Réduire la longueur des traces
Les signaux à haute fréquence se dégradent rapidement au fil de la distance.

a. FR-4 perd environ 11 dB (près de 90% de la force du signal).
b.PTFE perd environ 3 dB (50% de sa résistance).

Correction: tracez directement la route, en évitant les virages inutiles.

2Contrôlez l' impédance rigoureusement.
Les déséquilibres d'impédance (lorsque l'impédance de trace s'écarte de la cible, par exemple 50 ohms) provoquent une perte de réflexion. Les signaux rebondissent au lieu d'atteindre leur destination.

Comment réparer:
Utilisez des outils de simulation (par exemple, Ansys SIwave) pour calculer la largeur/l'espacement des traces pour votre matériau (par exemple, les traces de 50 ohms sur le RO4830 de Rogers ont besoin d'une largeur de ~7 mil avec un espacement de 6 mil).
Ajoutez des coupons de test d'impédance à votre panneau de PCB pour vérifier la cohérence après production.

3. Optimiser les plans du sol
Un plan de sol solide agit comme un "miroir" pour les signaux, réduisant les pertes de rayonnement et stabilisant l'impédance.

Les meilleures pratiques:
a. Utiliser un plan au sol continu directement en dessous des traces de signaux (sans fissures ni espaces).
b.Pour les PCB multicouches, placer les plans de mise à la terre adjacents aux couches de signal (à une distance de ≤ 0,02 pouces pour les hautes fréquences).

4Réduire les voies et les boutons
Les voies (trous reliant les couches) créent des discontinuités d'impédance, surtout si elles sont:

a.Trop grand (diamètre > 10 mils pour les modèles de 50 ohms).
b. Non plaqué ou mal plaqué.
c.s'accompagne d'un "stubs" (non utilisé via la longueur au-delà du point de connexion).

Réparation: utiliser des microvias (68 mil) avec "perçage arrière" pour enlever les bosses, réduisant ainsi les pertes liées aux voies par 40%.

5Traces de cuivre lisse
Les surfaces en cuivre rugueux augmentent la perte de conducteurs jusqu'à 30% à 60 GHz (en raison de la résistance d'amplification par effet de peau).

a.Solution: spécifier du cuivre à profil bas (graisse de surface < 0,5 μm) au lieu du cuivre standard (1,5 ∼ 2,0 μm).

Résultats réels: une étude de cas de la 5G
Un fabricant de télécommunications est passé de FR-4 à Rogers RO4830 pour ses modules 5G 28 GHz et a mis en œuvre les stratégies de conception ci-dessus.

a. La perte de signal est passée de 8 dB à 3,2 dB sur 4 pouces de trace.
b.La fiabilité de la connexion s'est améliorée de 45% lors des essais sur le terrain.
c. La production de chaleur (à partir de pertes diélectriques) a diminué de 28%, ce qui a prolongé la durée de vie des composants.

Conclusion
L'arrêt de la perte de signal dans les PCB à haute fréquence nécessite une approche à deux volets: choisir des matériaux à faible Df (comme Rogers ou PTFE) et les associer à des contrôles de conception stricts (traces courtes,correspondance d'impédancePour les systèmes 5G, radar ou satellites, cette combinaison n'est pas facultative: c'est la différence entre un produit qui fonctionne et un produit qui échoue.

En donnant la priorité à la fois aux performances des matériaux et à la discipline de conception, vous vous assurerez que votre PCB haute fréquence offre la vitesse, la portée et la fiabilité exigées par votre application.