Mentre i PCB si spostano verso l'era dell'alta frequenza e dell'alta velocità, i circuiti stampati non sono più solo la "base" che supporta i componenti. Oltre alla loro funzione conduttiva, hanno anche la funzione di trasmettere segnali ad alta frequenza e ad alta velocità. Quando parliamo delle prestazioni elettriche dei PCB ad alta velocità, costante dielettrica (Dk), fattore di perdita (Df), impedenza caratteristica (Z0) e perdita di inserzione sono quattro parole chiave inevitabili. Sono correlati e insieme determinano la qualità di trasmissione dei segnali sul circuito.
1、 La definizione e le unità dei quattro principali indicatori
1. Costante dielettrica (Dk/ε r): La costante dielettrica della "zona di decelerazione" di un segnale è una quantità fisica che misura la capacità di un materiale di immagazzinare energia elettrica sotto l'azione di un campo elettrico. In poche parole, riflette il grado di "ostruzione" che un segnale subisce durante la propagazione attraverso un mezzo. La sua definizione è solitamente il rapporto tra la capacità di un condensatore fatto di questo materiale come mezzo e la capacità di un condensatore delle stesse dimensioni fatto di vuoto come mezzo, quindi è un valore relativo adimensionale (solitamente espresso come ε r).
·Significato numerico: il Dk delle comuni lastre FR-4 è compreso tra 4,2 e 4,8, mentre il Dk delle lastre ad alta frequenza come il PTFE (politetrafluoroetilene, comunemente noto come Teflon, Teflon) è solitamente compreso tra 2,2 e 3,0. Più basso e stabile è il valore Dk, maggiore è la velocità di propagazione del segnale e più favorevole è la trasmissione ad alta frequenza.
2. Fattore di perdita (Df/tan δ): Il fattore di perdita di energia "ladro", noto anche come tangente di perdita dielettrica o fattore di dissipazione, è un parametro utilizzato per caratterizzare la perdita di energia dei materiali dielettrici in campi elettrici alternati a causa dell'effetto di isteresi o delle perdite causate dalla polarizzazione dielettrica. Rappresenta il rapporto tra la porzione di energia del segnale che "filtra" nel pannello isolante e l'energia immagazzinata nel pannello ed è anche una quantità fisica adimensionale.
·Significato numerico: minore è il valore Df, meglio è. Il Df dell'FR-4 ordinario è solitamente intorno a 0,02, mentre il Df dei materiali ad alta frequenza e alta velocità (come Rogers RO4350B) può essere pari a 0,0037 o anche inferiore. Minore è il Df, minore sarà il riscaldamento e l'attenuazione del segnale causati dal materiale stesso.
3. Impedenza caratteristica (Z0): L'impedenza caratteristica della "carta d'identità" della linea di trasmissione è il rapporto tra la tensione istantanea e la corrente istantanea incontrata quando il segnale si propaga sulla linea di trasmissione, misurata in ohm (Ω). Non è un semplice resistore CC, ma una caratteristica completa determinata dalla resistenza distribuita (R), induttanza (L), conduttanza (G) e capacità (C) della linea di trasmissione. Negli ambienti ad alta frequenza, l'impedenza caratteristica può essere approssimativamente semplificata come Z0=√ (L/C).
·Significato numerico: nella progettazione PCB, il controllo dell'impedenza comune per le linee di segnale a terminazione singola è 50 Ω o 75 Ω, mentre i segnali differenziali sono solitamente 90 Ω o 100 Ω. Mantenere la continuità dell'impedenza (ovvero l'adattamento dell'impedenza) è la chiave per prevenire la riflessione del segnale.
4. Perdita di inserzione (IL): il "pedaggio stradale" di un segnale. La perdita di inserzione si riferisce al grado di attenuazione della potenza in uscita rispetto alla potenza in ingresso dopo che un segnale passa attraverso una linea di trasmissione, tipicamente espresso in decibel (dB). Si tratta di un indicatore macroscopico di prestazione finale che riflette direttamente il "costo" che il segnale sostiene nel suo percorso di trasmissione. La sua definizione matematica è S21 = -10 * log(Po/Pi), dove Pi è la potenza in ingresso e Po è la potenza in uscita.
· Significato numerico: minore è il valore assoluto della perdita di inserzione, meglio è (cioè, più il valore dB è vicino a 0). Ad esempio, una perdita di inserzione di -3dB significa che la potenza del segnale viene persa della metà. Nei test pratici, l'unità di perdita di inserzione è solitamente db/pollice. Perché è così? Nelle applicazioni ingegneristiche, per misurazioni standardizzate, la perdita di inserzione è solitamente accompagnata da un'unità di lunghezza (come dB/pollici o dB/cm), ma nelle definizioni teoriche e nei budget dei collegamenti di sistema è un valore dB puro.
· Perché di solito è scritto come dB/pollice (o dB/cm): "Condizioni specifiche" nella definizione. L'essenza della perdita di inserzione è il rapporto di attenuazione della potenza in uscita rispetto alla potenza in ingresso. Poiché quanto più a lungo il segnale viaggia sulla linea di trasmissione, tanto maggiore è l'attenuazione, non ha senso dire semplicemente "la perdita di inserzione è di 3 dB" - è necessario specificare su quale lunghezza della linea di trasmissione è stata misurata. Pertanto, al fine di standardizzare le prestazioni dei materiali nelle schede tecniche, i produttori solitamente normalizzano la perdita di inserzione in unità di lunghezza, con unità comuni tra cui: · dB/pollice: pollici, comunemente utilizzati dai produttori di lastre americani (come Rogers e Isola). · dB/cm: centimetri, comunemente utilizzati dai produttori europei e asiatici. · dB/m: metri, utilizzati principalmente per descrivere cavi RF a bassissima perdita. · Perché c'è confusione: contesto delle due espressioni · Contesto delle proprietà del materiale (unità di lunghezza dB): quando selezioniamo i materiali, dire "la perdita di inserzione del materiale A è 0,7 dB/pollice a 10 GHz" si riferisce all'attenuazione di 0,7 dB per pollice della linea di trasmissione alla frequenza di 10 GHz. Ciò riflette le caratteristiche di perdita del materiale stesso. · Contesto del collegamento del sistema (dB totali): quando i progettisti calcolano l'attenuazione totale di una linea di trasmissione effettiva (come una traccia lunga 10 pollici), la calcolano come 0,7 dB/pollice × 10 pollici = 7 dB (più altre perdite come i connettori). A questo punto, la "perdita di inserzione totale di questo collegamento è 7 dB" non include l'unità di lunghezza, poiché è il valore di attenuazione totale del percorso specifico. · Conversione e spiegazione supplementare · Queste due unità sono convertibili: · 1 dB/pollice ≈ 0,394 dB/cm · 1 dB/cm ≈ 2,54 dB/pollice Per i test con software di simulazione o analizzatore di rete, sebbene l'unità finale dell'asse della curva visualizzata sia dB, quando si imposta la lunghezza del dispositivo in prova, lo strumento ha già considerato il fattore di lunghezza attraverso tecniche come "de-embedding" e il risultato calcolato è in realtà il valore di perdita totale in dB sotto il percorso specifico.
Quando si fa riferimento alla "perdita di inserzione di un materiale", di solito è accompagnata da un'unità di lunghezza (come dB/pollice) per facilitare il confronto dei pregi di diversi materiali. Quando si fa riferimento alla "perdita di inserzione di un canale specifico", di solito viene scritta semplicemente come dB, indicando l'attenuazione totale di quel percorso