Как только вы переходите к проектированию высокоскоростных или радиочастотных устройств, вносимые потери перестают быть теоретической проблемой и начинают проявляться в измерениях.
Вы прокладываете трассу, моделируете ее, и все выглядит хорошо. Затем вы возвращаетесь к реальной плате, и амплитуда сигнала оказывается ниже, чем ожидалось. Это падение - вносимые потери.
На базовом уровне вносимые потери - это просто сколько сигнала вы теряете от одного конца трассы до другого. В ПХБ большая часть поступает из двух мест:
- диэлектрические потери (материал)
- потери в проводниках (медь)
Понимание того и другого поможет вам понять, где кроется проблема и что можно реально исправить.
Материал см. Диэлектрическая проницаемость (Er) FR4 в зависимости от частоты.
Что такое инсерционные потери?
Потери на входе обычно выражаются в дБ и представляет собой затухание сигнала на пути передачи.
Большие потери → слабый сигнал на приемнике.
Это зависит от:
- длина трассы
- частота
- свойства материала
- состояние медной поверхности
Потери увеличиваются с ростом частоты, поэтому они становятся критичными при использовании:
- высокоскоростные цифровые каналы связи
- Радиочастотные цепи
- длинные трассы объединительной платы
Диэлектрические потери
Диэлектрические потери обусловлены самой подложкой печатной платы.
При распространении сигнала часть электромагнитной энергии поглощается диэлектриком и преобразуется в тепло.
В основном это контролируется:
- тангенс угла потерь (Df)
- частота
- поведение диэлектрической проницаемости
FR4 имеет относительно более высокий тангенс угла потерь по сравнению с радиочастотными материалами, поэтому он хуже работает на высоких частотах.
Более подробно об этом рассказывается в Материалы для печатных плат с низким уровнем потерь для радиочастотных и микроволновых схем.
Потери в проводниках
Потери в проводниках связаны с медными трассами.
На высоких частотах ток не течет равномерно по всему проводнику. Вместо этого он концентрируется у поверхности - явление, известное как кожный эффект.
С увеличением частоты:
- эффективное сопротивление увеличивается
- ослабление сигнала увеличивается
Шероховатость поверхности также играет роль. Шероховатая медь увеличивает эффективную длину пути тока, что увеличивает потери.
Диэлектрические и проводниковые потери (краткое сравнение)
| Тип потерь | Источник | Доминанта на | Ключевые факторы |
|---|---|---|---|
| Диэлектрические потери | Материал печатной платы | высокие частоты | тангенс угла потерь, Er |
| Потери в проводниках | медные следы | все частоты (хуже на высоких частотах) | Эффект кожи, шероховатость |
В большинстве радиочастотных конструкций:
- диэлектрические потери преобладают на очень высоких частотах
- Потеря проводника всегда присутствует, и ее нельзя игнорировать
Как частота влияет на вносимые потери
Вносимые потери увеличиваются примерно с ростом частоты.
- диэлектрические потери увеличиваются почти линейно с ростом частоты
- Потери в проводнике увеличиваются с квадратным корнем из частоты
Вот почему конструкция, которая прекрасно работает на частоте 1 ГГц, может оказаться нерабочей на частоте 10 ГГц без каких-либо изменений геометрии.
Как уменьшить потери на вставке печатной платы
Вы не можете избавиться от потерь, но вы можете управлять ими.
- 1. Выбирайте материалы с меньшими потерями
Обычно это самый большой рычаг.
переход с FR4 → FR4 с низкими потерями → Rogers → PTFE
меньший тангенс угла потерь = меньшие диэлектрические потери
См. FR4 против Rogers PCB для высокочастотных конструкций - 2. Сокращение критических путей передачи сигналов
Потери пропорциональны длине.
Просто, но часто упускается из виду:
расположите компоненты ближе
сокращение ненужной маршрутизации - 3. Оптимизируйте штабелирование
Сложение влияет как на потери, так и на импеданс.
удерживайте сигналы вблизи опорных плоскостей
контрольная толщина диэлектрика
Избегайте ненужных переходов между слоями
Подробности: Руководство по проектированию печатных плат FR4 - 4. Используйте более гладкую медь
Шероховатость меди увеличивает потери в проводниках.
Во многих высокоскоростных конструкциях используются:
низкопрофильная медь
Медь с очень низким профилем (VLP) - 5. Геометрия трассы управления
Более широкие трассы → меньшее сопротивление → меньшие потери в проводниках
Но это должно быть сбалансировано с требованиями к импедансу.
Как оценить вносимые потери при проектировании печатной платы
На практике инженеры не рассчитывают все вручную.
1. Использование решателей полей или инструментов моделирования
Инструменты могут моделировать:
- диэлектрические потери
- потеря проводника
- частотно-зависимое поведение
2. Используйте данные производителя
Поставщики ламината обеспечивают:
- тангенс угла потерь в зависимости от частоты
- кривые диэлектрической проницаемости
Они более надежны, чем общие предположения.
3. Убедитесь с помощью измерений
Для критических конструкций:
- TDR (рефлектометрия во временной области)
- VNA (векторный сетевой анализатор)
Измеренные данные часто показывают то, что моделирование упускает.
Практические наблюдения за дизайном
Некоторые узоры проявляются неоднократно:
- Переключение материала оказывает большее влияние, чем настройка ширины трассы
- потери становятся заметными быстрее, чем ожидалось, при увеличении частоты
- точность моделирования в значительной степени зависит от моделей материалов
- Игнорирование шероховатости меди приводит к оптимистичным результатам
Заключение
Потери на вставку в печатных платах в основном обусловлены диэлектрическими потерями и потерями в проводниках.
FR4 хорошо подходит для многих конструкций, но с ростом частоты оба типа потерь становятся более значительными. Выбор материала, конструкция стека и геометрия трассы - все это играет роль в управлении затуханием сигнала.
Цель не в нулевых потерях, а в предсказуемых потерях, которые не выходят за рамки вашей системной маржи.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Потери на вставку - это снижение уровня сигнала при прохождении его через трассу печатной платы, обычно измеряемое в дБ.
Основными причинами являются диэлектрические потери (поглощение материала) и потери в проводниках (сопротивление меди и скин-эффект).
На высоких частотах диэлектрические потери часто преобладают, но потери в проводниках присутствуют всегда.
Нет. Ее можно уменьшить и управлять ею только с помощью дизайна и выбора материалов.
Использование таких инструментов, как векторные сетевые анализаторы (VNA) и рефлектометрия во временной области (TDR).
