Verlustreduzierung in Hochfrequenz-Leiterplatten: Material- und Designstrategien, die funktionieren

In der Hochfrequenz-Elektronik, wo Signale bei 10 GHz und darüber hinaus rasen, kann sogar ein Verlust von 1 dB die Leistung beeinträchtigen.oder ein Satellitentransceiver kann Daten nicht übertragenDie gute Nachricht: Mit den richtigen Materialien und Design-Auswahl können Sie den Signalverlust um bis zu 60% reduzieren.Sicherstellen, dass Ihre Hochfrequenz-PCB wie vorgesehen funktioniertSo geht's.

Warum bei Hochfrequenz-PCBs ein Signalverlust auftritt

Der Signalverlust bei Hochfrequenz-PCBs beruht auf drei Hauptursachen:

a.Dielektrische Verluste: Energie, die als Wärme im PCB-Substrat verschwendet wird, was durch die dielektrische Konstante (Dk) und die Verlusttangente (Df) des Materials verursacht wird.
b.Leiterverlust: Widerstand in Kupferspuren, verschlechtert durch Hautwirkung (Hochfrequenzsignale, die auf Spurenoberflächen verlaufen) und Oberflächenrauheit.
c. Strahlungsverlust: Signale, die durch schlechte Routing, unzureichende Erdung oder eine übermäßige Spurlänge aus den Spuren "lecken".

Materialauswahl: Die Grundlage für eine Leistung mit geringem Verlust
Das PCB-Substrat ist die erste Verteidigungslinie gegen Signalverlust. Hier ist, wie sich Top-Materialien bei 60 GHz (eine allgemeine mmWave-Frequenz für 5G und Radar) vergleichen:

Wesentliche Erkenntnis: PTFE und Rogers-Materialien reduzieren den Gesamtverlust um 65-73% im Vergleich zu FR-4 bei 60 GHz. Für die meisten Hochfrequenzkonstruktionen balanciert Rogers RO4830 Leistung und Kosten.

Strategien zur Minimierung von Signalverlusten
Selbst die besten Materialien können ein schlechtes Design nicht überwinden.

1. Verkürzung der Spurenlänge
Hochfrequenzsignale verschlechtern sich mit der Entfernung schnell.

a. FR-4 verliert ~11 dB (fast 90% der Signalstärke).
b.PTFE verliert ~3 dB (50% der Stärke).

Korrektur: Strecken direkt, unnötige Kurven vermeiden. Verwenden Sie ′′dogbone′′-Muster für Komponentenverbindungen, um die Länge zu minimieren, ohne die Schweißfähigkeit zu beeinträchtigen.

2Impedanz streng kontrollieren.
Impedanzfehler (wenn die Spurenimpedanz vom Ziel abweicht, z. B. 50 Ohm) verursachen Reflexionsverluste, die Signale zurückprallen, anstatt ihr Ziel zu erreichen.

Wie man es repariert:
Verwenden Sie Simulationswerkzeuge (z. B. Ansys SIwave) zur Berechnung der Spurenbreite/Distanz für Ihr Material (z. B. benötigen 50-Ohm-Spuren auf Rogers RO4830 eine Breite von ~7 mm mit einem Abstand von 6 mm).
Fügen Sie Impedanz-Test-Coupon zu Ihrem PCB-Panel hinzu, um die Konsistenz nach der Produktion zu überprüfen.

3. Optimieren Sie die Bodenflächen
Eine feste Bodenebene wirkt als "Spiegel" für Signale, wodurch der Strahlungsverlust reduziert und die Impedanz stabilisiert wird.

Beste Verfahren:
a. Verwenden Sie eine kontinuierliche Bodenebene unmittelbar unter Signalspuren (keine Spalten oder Lücken).
b.Bei mehrschichtigen Leiterplatten werden Bodenflächen neben Signalschichten platziert (bei hohen Frequenzen um ≤ 0,02 Zoll voneinander getrennt).

4. Reduzieren Sie Vias und Stubs
Vias (Lochlöcher, die Schichten verbinden) verursachen Impedanzdiskontinuitäten, insbesondere wenn sie:

a. Zu groß (Durchmesser > 10 mm bei 50 Ohm-Konstruktionen).
b.Nicht oder schlecht beschichtet.
c. Begleitet von ′′stubs′′ (nicht über die Länge über den Anschlusspunkt hinweg verwendet).

Korrektur: Verwenden Sie Mikrovia (68 ml) mit “Back Drilling”, um Stöcke zu entfernen, wodurch der viabedingte Verlust um 40% reduziert wird.

5Glatte Kupferspuren
Rohkopfoberflächen erhöhen den Leiterverlust bei 60 GHz um bis zu 30% (aufgrund des Verstärkungswiderstands durch Hautwirkung).

a.Lösung: Anstelle von Standardkupfer (1,5-2,0 μm) wird “Niedrigprofil” Kupfer (Oberflächenrauheit <0,5 μm) angegeben.

Wirkliche Ergebnisse: Eine Fallstudie über 5G
Ein Telekommunikationshersteller wechselte für seine 28 GHz 5G-Module von FR-4 auf Rogers RO4830 und implementierte die oben genannten Konstruktionsstrategien.

a. Signalverlust von 8 dB auf 3,2 dB über 4 Zoll Spuren.
b.Verbindungssicherheit verbessert um 45% bei Feldversuchen.
c. Wärmeerzeugung (aus dielektrischen Verlusten) um 28% reduziert, wodurch die Lebensdauer des Bauteils verlängert wird.

Schlussfolgerung
Um den Signalverlust in Hochfrequenz-PCBs zu stoppen, ist ein zweigliedriger Ansatz erforderlich: Wahl von Low-Df-Materialien (wie Rogers oder PTFE) und Kombination mit strengen Konstruktionskontrollen (kurze Spuren,ImpedanzgleichstellungFür 5G-, Radar- oder Satellitensysteme ist diese Kombination nicht optional, sondern der Unterschied zwischen einem funktionierenden und einem fehlerhaften Produkt.

Durch die Priorität sowohl der Materialleistung als auch der Designdisziplin stellen Sie sicher, dass Ihre Hochfrequenz-PCB die Geschwindigkeit, Reichweite und Zuverlässigkeit bietet, die Ihre Anwendung verlangt.