Het stoppen van signaalverlies in hoogfrequente PCB's: materialen en ontwerpstrategieën die werken

In hoogfrequente elektronica—waar signalen met 10 GHz en hoger racen—kan zelfs een verlies van 1 dB de prestaties verlammen. Een 5G-basisstation kan verbindingen verliezen, een radarsysteem kan doelen missen, of een satellietzender kan geen gegevens verzenden. Signaalverlies is hier niet alleen een ergernis; het is een kritiek faalpunt. Het goede nieuws? Met de juiste materialen en ontwerpkeuzes kunt u signaalverlies met wel 60% verminderen, zodat uw hoogfrequente PCB naar behoren presteert. Zo doet u dat.

Waarom signaalverlies optreedt in hoogfrequente PCB's

Signaalverlies (vaak invoegverlies genoemd) in hoogfrequente PCB's komt voort uit drie primaire oorzaken. Ze begrijpen is de eerste stap om het probleem op te lossen:

  a. Diëlektrisch verlies: Energie die als warmte wordt verspild in het PCB-substraat, veroorzaakt door de diëlektrische constante (Dk) en de verliesfactor (Df) van het materiaal. Hogere Df = meer verlies, vooral boven 28 GHz.
  b. Geleidingsverlies: Weerstand in koperen sporen, verergerd door het skin-effect (hoogfrequente signalen die over spooroppervlakken reizen) en oppervlakteruwheid.
  c. Stralingsverlies: Signalen die 'lekken' van sporen als gevolg van slechte routing, onvoldoende aarding of overmatige spoorlengte.

Materiaalkeuze: De basis van prestaties met weinig verlies
Uw PCB-substraat is de eerste verdedigingslinie tegen signaalverlies. Zo vergelijken topmaterialen bij 60 GHz (een veelvoorkomende mmWave-frequentie voor 5G en radar):

Belangrijkste conclusie: PTFE- en Rogers-materialen verminderen het totale verlies met 65–73% in vergelijking met FR-4 bij 60 GHz. Voor de meeste hoogfrequente ontwerpen biedt Rogers RO4830 een goede balans tussen prestaties en kosten.

Ontwerpstrategieën om signaalverlies te minimaliseren
Zelfs de beste materialen kunnen een slecht ontwerp niet overwinnen. Gebruik deze technieken als aanvulling op uw substraatkeuze:

1. Verkort de spoorlengtes
Hoogfrequente signalen verslechteren snel over afstand. Voor elke 1 inch spoor bij 60 GHz:

  a. FR-4 verliest ~11 dB (bijna 90% van de signaalsterkte).
  b. PTFE verliest ~3 dB (50% van de sterkte).

Oplossing: Routeer sporen direct en vermijd onnodige bochten. Gebruik 'dogbone'-patronen voor componentverbindingen om de lengte te minimaliseren zonder de soldeerbaarheid op te offeren.

2. Beheers de impedantie rigoureus
Impedantie-mismatches (wanneer de spoorimpedantie afwijkt van het doel, bijvoorbeeld 50 ohm) veroorzaken reflectieverlies—signalen die terugkaatsen in plaats van hun bestemming te bereiken.

Hoe op te lossen:
  Gebruik simulatietools (bijv. Ansys SIwave) om de spoorbreedte/afstand voor uw materiaal te berekenen (bijv. 50-ohm sporen op Rogers RO4830 hebben een breedte van ~7 mil nodig met een afstand van 6 mil).
  Voeg impedantietestcoupons toe aan uw PCB-paneel om de consistentie na de productie te verifiëren.

3. Optimaliseer aardvlakken
Een solide aardvlak fungeert als een 'spiegel' voor signalen, waardoor stralingsverlies wordt verminderd en de impedantie wordt gestabiliseerd.

Beste praktijken:
  a. Gebruik een continu aardvlak direct onder de signaalsporen (geen splitsingen of gaten).
  b. Plaats voor meerlaagse PCB's aardvlakken naast signaallagen (gescheiden door ≤0,02 inch voor hoge frequenties).

4. Verminder vias en stubs
Vias (gaten die lagen verbinden) creëren impedantie-discontinuïteiten, vooral als ze:

  a. Te groot zijn (diameter >10 mil voor 50-ohm ontwerpen).
  b. Ongeplateerd of slecht geplateerd zijn.
  c. Worden vergezeld door 'stubs' (ongebruikte via-lengte voorbij het verbindingspunt).

Oplossing: Gebruik microvias (6–8 mil) met 'back drilling' om stubs te verwijderen, waardoor via-gerelateerd verlies met 40% wordt verminderd.

5. Gladde koperen sporen
Ruwe koperen oppervlakken verhogen het geleidingsverlies met maximaal 30% bij 60 GHz (door het skin-effect dat de weerstand versterkt).

 a. Oplossing: Specificeer 'low-profile' koper (oppervlakteruwheid <0,5 μm) in plaats van standaard koper (1,5–2,0 μm). Rogers en Isola bieden substraten met voorgelamineerd low-profile koper voor dit doel.

Resultaten in de praktijk: Een 5G-casestudy
Een telecomfabrikant stapte over van FR-4 naar Rogers RO4830 voor hun 28 GHz 5G-modules en implementeerde de bovenstaande ontwerpstrategieën. Het resultaat?

  a. Signaalverlies daalde van 8 dB naar 3,2 dB over 4 inch spoor.
  b. De betrouwbaarheid van de verbinding verbeterde met 45% in veldtests.
  c. Warmteontwikkeling (door diëlektrisch verlies) daalde met 28%, waardoor de levensduur van componenten werd verlengd.

Conclusie
Het stoppen van signaalverlies in hoogfrequente PCB's vereist een tweeledige aanpak: het kiezen van materialen met een lage Df (zoals Rogers of PTFE) en deze combineren met strakke ontwerpcontroles (korte sporen, impedantie-matching, solide aardingen). Voor 5G-, radar- of satellietsystemen is deze combinatie niet optioneel—het is het verschil tussen een product dat werkt en een product dat faalt.

Door prioriteit te geven aan zowel materiaalprestaties als ontwerptucht, zorgt u ervoor dat uw hoogfrequente PCB de snelheid, het bereik en de betrouwbaarheid levert die uw toepassing vereist.