Когда вы начинаете работать над радиочастотными или микроволновыми конструкциями, выбор материала быстро становится реальным ограничением, а не только теоретическим.
FR4 хорошо подходит для многих цифровых плат, но при повышении частоты начинают проявляться его диэлектрические потери. Вы увидите большее затухание, особенно на длинных трассах или при жесткой маршрутизации с контролем импеданса.
Именно здесь на помощь приходят материалы с низким уровнем потерь. Они не всегда нужны, но когда они нужны, разница заметна.
Если вы сначала сравниваете базовые материалы, см. FR4 против Rogers PCB для высокочастотных конструкций.
Что на самом деле означает термин “низкие потери”
На практике “низкие потери” относятся к материалам с тангенс малых потерь (Df).
Меньше Df → меньше энергии сигнала рассеивается в виде тепла → чище сигнал на расстоянии.
На низких частотах разница между материалами часто бывает незначительной.
На более высоких частотах (диапазон ГГц) это начинает иметь гораздо большее значение.
Помимо потерь, инженеров также волнуют вопросы:
- стабильность диэлектрической проницаемости (Er в зависимости от частоты)
- температурная стабильность
- технологичность
Распространенные материалы для печатных плат с низким уровнем потерь
У вас нет только одного варианта. Большинство радиочастотных конструкций относятся к нескольким категориям материалов.
Материалы на основе ПТФЭ
Подложки из ПТФЭ по-прежнему являются эталоном очень низких потерь.
Они хорошо работают на микроволновых частотах и выше, но имеют свои недостатки:
- сложнее обрабатывать
- более высокая стоимость
- требуется более жесткий контроль изготовления
Типичные случаи использования:
- радиолокационные системы
- спутниковая связь
- высокочастотные радиочастотные фронты
Ламинат Rogers
Материалы Rogers, вероятно, являются наиболее часто используемым “шагом вперед” по сравнению с FR4.
Они предлагают хороший баланс:
- меньшие потери по сравнению с FR4
- Легче обрабатывается, чем чистый ПТФЭ
- стабильные диэлектрические свойства
Вы увидите их в:
- базовые станции
- Радиочастотные модули
- автомобильный радар
Более подробная информация здесь: FR4 против Rogers PCB для высокочастотных конструкций
FR4 с низким уровнем потерь (модифицированная эпоксидная смола)
Некоторые проекты не нуждаются в материалах полного радиочастотного класса.
Модифицированный FR4 заполняет этот пробел:
- лучшие показатели потерь по сравнению со стандартным FR4
- по-прежнему совместимы со стандартными процессами производства печатных плат
- более низкая стоимость по сравнению с радиочастотными ламинатами
Распространено в:
- высокоскоростной цифровой (не чисто радиочастотный)
- SERDES / сетевые платы
- среднечастотные системы связи
Влияние штабелирования обсуждается в Руководство по проектированию печатных плат FR4.
Быстрое сравнение
| Материал | Потеря (Df) | Диапазон частот | Стоимость | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| FR4 | выше | низкий-средний | низкий | общее использование |
| FR4 с низкими потерями | средний | середина | средний | цифровые + некоторые радиочастоты |
| Роджерс | низкий | высокая | выше | общий выбор радиочастот |
| PTFE | очень низкий | очень высокий | высокая | микроволны / радар |
Где материалы с низким уровнем потерь действительно имеют значение
Они нужны не везде.
Они начинают иметь значение, когда:
- частота переходит в диапазон гигагерц
- длина трассы большая
- бюджет вносимых потерь ограничен
- пределы целостности сигнала невелики
Типичные случаи:
- Радиочастотные усилители мощности
- антенно-фидерные сети
- высокоскоростные объединительные платы
- микроволновые каналы
Об общем контексте высокоскоростной компоновки см. Руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат.
Как выбрать материалы для печатных плат с низкими потерями
Выбор материала - это, как правило, компромисс, а не простое обновление.
- 1. Начните с частоты, а не с материала
Не выбирайте Rogers только потому, что он “лучше”.
Сначала спросите:
Для какого диапазона частот я проектирую?
Каковы допустимые вносимые потери?
Если вы не достигли определенного порога, FR4 (или FR4 с низкими потерями) все равно может подойти. - 2. Посмотрите на бюджет потерь
Если ваш бюджет на ссылки ограничен, потеря материала становится критически важной.
В радиочастотных трактах даже небольшое улучшение Df может привести к ощутимому повышению производительности. - 3. Заранее проверьте влияние штабеля
Выбор материала влияет:
расчеты импеданса
ширина трассы
расстояние между слоями
Изменение материала на поздних этапах проектирования часто приводит к переделке макета.
Подробнее об этом в Руководство по проектированию печатных плат FR4. - 4. Не игнорируйте производство
Некоторые материалы с низким уровнем потерь требуют:
различные циклы ламинирования
Более жесткий контроль бурения
специальная обработка поверхности
Это может повлиять на выход продукции и время выполнения заказа.
Общее воздействие на процесс: Процесс производства печатных плат шаг за шагом - 5. Баланс между стоимостью и производительностью
Не каждый слой должен быть с низким уровнем потерь.
Общий подход:
Радиочастотные слои → Rogers / PTFE
цифровые + силовые → FR4
Такой гибридный подход позволяет держать стоимость под контролем.
Практические указания по проектированию
Несколько вещей, которые часто встречаются в реальных проектах:
- Потери зависят не только от материала - шероховатость меди также имеет значение
- Вариации Er влияют на импеданс сильнее, чем люди ожидают
- Имитационные модели должны соответствовать реальным данным ламината
- Технические описания поставщиков - это отправная точка, а не окончательный ответ
Заключение
Материалы для печатных плат с низкими потерями не являются выбором по умолчанию - это конструкторское решение.
FR4 подходит для широкого спектра применений.
Роджерс и тефлон приходят на помощь, когда начинают иметь значение частота, потери и стабильность.
Главное - понять, где в этом спектре находится ваш дизайн, и не завышать и не занижать требования к материалу.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Материал с низкими диэлектрическими потерями (низкий Df), обычно используемый в радиочастотных или микроволновых конструкциях для уменьшения затухания сигнала.
Да, но в основном для низкочастотных или менее критичных ВЧ конструкций. На более высоких частотах потери становятся более заметными.
Не всегда. Он лучше работает на высокой частоте, но стоит дороже и может быть необходим не для всех конструкций.
Обычно используется в микроволновых или очень высокочастотных конструкциях, где требуется минимальная потеря сигнала.
Обычно используется в микроволновых или очень высокочастотных конструкциях, где требуется минимальная потеря сигнала.
