Καθώς τα PCB κινούνται προς την εποχή της υψηλής συχνότητας και της υψηλής ταχύτητας, οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων δεν είναι πλέον απλώς η «βάση» που υποστηρίζει εξαρτήματα. Εκτός από την αγώγιμη λειτουργία τους, έχουν επίσης τη λειτουργία μετάδοσης σημάτων υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας. Όταν μιλάμε για την ηλεκτρική απόδοση των PCB υψηλής ταχύτητας, η διηλεκτρική σταθερά (Dk), ο συντελεστής απώλειας (Df), η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση (Z0) και η απώλεια εισαγωγής είναι τέσσερις αναπόφευκτες λέξεις-κλειδιά. Είναι αλληλένδετα και μαζί καθορίζουν την ποιότητα μετάδοσης των σημάτων στην πλακέτα κυκλώματος.
1, Ο ορισμός και οι μονάδες των τεσσάρων κύριων δεικτών
1. Διηλεκτρική σταθερά (Dk/ε r): Η διηλεκτρική σταθερά της «ζώνης επιβράδυνσης» ενός σήματος είναι ένα φυσικό μέγεθος που μετρά την ικανότητα ενός υλικού να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια υπό τη δράση ηλεκτρικού πεδίου. Με απλά λόγια, αντικατοπτρίζει τον βαθμό «εμποδισμού» που αντιμετωπίζει ένα σήμα όταν διαδίδεται μέσω ενός μέσου. Ο ορισμός του είναι συνήθως ο λόγος της χωρητικότητας ενός πυκνωτή κατασκευασμένου από αυτό το υλικό ως μέσο προς τη χωρητικότητα ενός πυκνωτή ίδιου μεγέθους κατασκευασμένου από κενό με το μέσο, επομένως είναι μια αδιάστατη σχετική τιμή (συνήθως εκφράζεται ως ε r).
·Αριθμητική σημασία: Το Dk των κοινών φύλλων FR-4 είναι μεταξύ 4,2 και 4,8, ενώ το Dk των φύλλων υψηλής συχνότητας όπως το PTFE (πολυτετραφθοροαιθυλένιο, κοινώς γνωστό ως Teflon, Teflon) είναι συνήθως μεταξύ 2,2 και 3,0. Όσο χαμηλότερη και πιο σταθερή είναι η τιμή Dk, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα διάδοσης του σήματος και τόσο πιο ευνοϊκή είναι για μετάδοση υψηλής συχνότητας.
2. Συντελεστής απώλειας (Df/tan δ): Ο συντελεστής απώλειας ενέργειας «κλέφτης», γνωστός και ως εφαπτομένη διηλεκτρική απώλεια ή παράγοντας διάχυσης, είναι μια παράμετρος που χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό της απώλειας ενέργειας διηλεκτρικών υλικών σε εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία λόγω του φαινομένου υστέρησης ή της διαρροής που προκαλείται από τη διηλεκτρική πόλωση. Αντιπροσωπεύει την αναλογία του τμήματος της ενέργειας του σήματος που «διαρρέει» στη μονωτική πλακέτα προς την ενέργεια που αποθηκεύεται στην πλακέτα και είναι επίσης ένα αδιάστατο φυσικό μέγεθος.
·Αριθμητική σημασία: Όσο μικρότερη είναι η τιμή Df, τόσο το καλύτερο. Το Df του συνηθισμένου FR-4 είναι συνήθως περίπου 0,02, ενώ το Df των υλικών υψηλής ταχύτητας υψηλής συχνότητας (όπως το Rogers RO4350B) μπορεί να είναι τόσο χαμηλό όσο 0,0037 ή και χαμηλότερο. Όσο μικρότερο είναι το Df, τόσο μικρότερη είναι η θέρμανση και η εξασθένηση του σήματος που προκαλείται από το ίδιο το υλικό.
3. Χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση (Z0): Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση του «ID card» της γραμμής μεταφοράς είναι ο λόγος της στιγμιαίας τάσης προς το στιγμιαίο ρεύμα που συναντάται όταν το σήμα διαδίδεται στη γραμμή μεταφοράς, μετρούμενος σε Ωμ (Ω). Δεν είναι μια απλή αντίσταση DC, αλλά ένα ολοκληρωμένο χαρακτηριστικό που καθορίζεται από την κατανεμημένη αντίσταση (R), την επαγωγή (L), την αγωγιμότητα (G) και την χωρητικότητα (C) της γραμμής μεταφοράς. Σε περιβάλλοντα υψηλής συχνότητας, η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση μπορεί να απλοποιηθεί κατά προσέγγιση ως Z0=√ (L/C).
·Αριθμητική σημασία: Στο σχεδιασμό PCB, ο κοινός έλεγχος σύνθετης αντίστασης για γραμμές σήματος μονού άκρου είναι 50 Ω ή 75 Ω, ενώ τα διαφορικά σήματα είναι συνήθως 90 Ω ή 100 Ω. Η διατήρηση της συνέχειας της σύνθετης αντίστασης (δηλαδή η αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης) είναι το κλειδί για την πρόληψη της ανάκλασης του σήματος.
4. Απώλεια εισαγωγής (IL): Τα «διόδια» ενός σήματος. Η απώλεια εισαγωγής αναφέρεται στον βαθμό εξασθένησης της ισχύος εξόδου σε σχέση με την ισχύ εισόδου μετά τη διέλευση ενός σήματος μέσω μιας γραμμής μετάδοσης, που τυπικά εκφράζεται σε ντεσιμπέλ (dB). Είναι ένας μακροσκοπικός δείκτης τελικής απόδοσης που αντικατοπτρίζει άμεσα το «κόστος» που επιβαρύνει το σήμα στη διαδρομή μετάδοσής του. Ο μαθηματικός του ορισμός είναι S21 = -10 * log (Po/Pi), όπου Pi είναι η ισχύς εισόδου και Po είναι η ισχύς εξόδου.
· Αριθμητική σημασία: Όσο μικρότερη είναι η απόλυτη τιμή της απώλειας εισαγωγής, τόσο το καλύτερο (δηλαδή, όσο πιο κοντά είναι η τιμή dB στο 0). Για παράδειγμα, μια απώλεια εισαγωγής -3dB σημαίνει ότι η ισχύς του σήματος χάνεται στο μισό. Στην πρακτική δοκιμή, η μονάδα απώλειας εισαγωγής είναι συνήθως db/inch. Γιατί είναι έτσι; Σε εφαρμογές μηχανικής, για τυποποιημένες μετρήσεις, η απώλεια εισαγωγής συνήθως συνοδεύεται από μια μονάδα μήκους (όπως dB/inch ή dB/cm), αλλά σε θεωρητικούς ορισμούς και προϋπολογισμούς σύνδεσης συστήματος, είναι μια καθαρή τιμή dB.
· Γιατί συνήθως γράφεται ως dB/inch (ή dB/cm): «Συγκεκριμένες συνθήκες» στον ορισμό. Η ουσία της απώλειας εισαγωγής είναι ο λόγος εξασθένησης της ισχύος εξόδου σε σχέση με την ισχύ εισόδου. Εφόσον όσο περισσότερο ταξιδεύει το σήμα στη γραμμή μετάδοσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η εξασθένηση, δεν έχει νόημα να πούμε απλώς "η απώλεια εισαγωγής είναι 3dB" - πρέπει να καθοριστεί σε ποιο μήκος γραμμής μετάδοσης μετρήθηκε. Επομένως, προκειμένου να τυποποιηθεί η απόδοση των υλικών στα φύλλα δεδομένων, οι κατασκευαστές συνήθως κανονικοποιούν την απώλεια εισαγωγής στο μήκος της μονάδας, με κοινές μονάδες που περιλαμβάνουν: · dB/inch: ίντσες, που χρησιμοποιούνται συνήθως από Αμερικανούς κατασκευαστές φύλλων (όπως οι Rogers και Isola). · dB/cm: εκατοστά, που χρησιμοποιούνται συνήθως από Ευρωπαίους και Ασιάτες κατασκευαστές. · dB/m: μέτρα, που χρησιμοποιούνται κυρίως για την περιγραφή καλωδίων RF πολύ χαμηλών απωλειών. · Γιατί υπάρχει σύγχυση: Πλαίσιο των δύο παραστάσεων · Περιβάλλον ιδιοτήτων υλικού (μήκος μονάδας dB): Όταν επιλέγουμε υλικά, λέγοντας "η απώλεια εισαγωγής του υλικού Α είναι 0,7 dB/inch @ 10 GHz" αναφέρεται στην εξασθένηση 0,7 dB ανά ίντσα γραμμής μετάδοσης σε συχνότητα 10 GHz. Αυτό αντανακλά τα χαρακτηριστικά απώλειας του ίδιου του υλικού. · Περιβάλλον σύνδεσης συστήματος (σύνολο dB): Όταν οι σχεδιαστές υπολογίζουν τη συνολική εξασθένηση μιας πραγματικής γραμμής μεταφοράς (όπως ένα ίχνος μήκους 10 ιντσών), το υπολογίζουν ως 0,7 dB/ίντσα × 10 ίντσα = 7 dB (συν άλλες απώλειες, όπως οι σύνδεσμοι). Σε αυτό το σημείο, η "ολική απώλεια εισαγωγής αυτού του συνδέσμου είναι 7dB" δεν περιλαμβάνει τη μονάδα μήκους, γιατί είναι η συνολική τιμή εξασθένησης της συγκεκριμένης διαδρομής. · Μετατροπή και συμπληρωματική εξήγηση · Αυτές οι δύο μονάδες είναι μετατρέψιμες: · 1 dB/inch ≈ 0,394 dB/cm · 1 dB/cm ≈ 2,54 dB/inch Για δοκιμή λογισμικού προσομοίωσης ή αναλυτή δικτύου, αν και ο τελικός εμφανιζόμενος άξονας καμπύλης είναι dB, όταν ο παράγοντας μήκους του οργάνου λαμβάνει ήδη υπόψη τον παράγοντα μήκους του οργάνου, κατά τη ρύθμιση της τεχνικής ως το μήκος του οργάνου. "de-embedding", και το υπολογισμένο αποτέλεσμα είναι στην πραγματικότητα η συνολική τιμή απώλειας dB κάτω από τη συγκεκριμένη διαδρομή.
Όταν αναφέρεται στην "απώλεια εισαγωγής ενός υλικού", συνήθως συνοδεύεται από μια μονάδα μήκους (όπως dB/ίντσα) για να διευκολυνθεί η σύγκριση των πλεονεκτημάτων διαφορετικών υλικών. Όταν αναφέρεται σε "απώλεια εισαγωγής ενός συγκεκριμένου καναλιού", συνήθως γράφεται απλώς ως dB, υποδεικνύοντας τη συνολική εξασθένηση αυτής της διαδρομής