Ponieważ płytki drukowane wkraczają w erę wysokiej częstotliwości i dużej prędkości, płytki drukowane nie są już tylko „podstawą”, na której znajdują się komponenty. Oprócz funkcji przewodzącej mają one również funkcję przesyłania sygnałów o wysokiej częstotliwości i dużej prędkości. Kiedy mówimy o parametrach elektrycznych szybkich płytek drukowanych, nieuniknione są cztery słowa kluczowe: stała dielektryczna (Dk), współczynnik strat (Df), impedancja charakterystyczna (Z0) i tłumienność wtrąceniowa. Są ze sobą powiązane i wspólnie decydują o jakości transmisji sygnałów na płytce drukowanej.
1. Definicja i jednostki czterech głównych wskaźników
1. Stała dielektryczna (Dk/ε r): Stała dielektryczna „strefy hamowania” sygnału jest wielkością fizyczną mierzącą zdolność materiału do magazynowania energii elektrycznej pod działaniem pola elektrycznego. Mówiąc najprościej, odzwierciedla stopień „przeszkody”, jakiej doświadcza sygnał podczas propagacji w ośrodku. Jego definicją jest zwykle stosunek pojemności kondensatora wykonanego z tego materiału jako ośrodka do pojemności kondensatora tej samej wielkości wykonanego z próżni jako ośrodka, a więc jest to bezwymiarowa wartość względna (zwykle wyrażana jako ε r).
·Znaczenie liczbowe: Dk typowych arkuszy FR-4 wynosi od 4,2 do 4,8, podczas gdy Dk arkuszy o wysokiej częstotliwości, takich jak PTFE (politetrafluoroetylen, powszechnie znany jako teflon, teflon) wynosi zwykle od 2,2 do 3,0. Im niższa i bardziej stabilna wartość Dk, tym większa prędkość propagacji sygnału i tym korzystniejsza dla transmisji wysokich częstotliwości.
2. Współczynnik straty (Df/tg δ): „Złodziej” współczynnik straty energii, znany również jako styczna straty dielektrycznej lub współczynnik rozproszenia, to parametr stosowany do charakteryzowania strat energii materiałów dielektrycznych w przemiennych polach elektrycznych w wyniku efektu histerezy lub wycieku spowodowanego polaryzacją dielektryka. Reprezentuje stosunek części energii sygnału, która „przecieka” do płyty izolacyjnej, do energii zmagazynowanej w płycie i jest także bezwymiarową wielkością fizyczną.
·Znaczenie liczbowe: Im mniejsza wartość Df, tym lepiej. Df zwykłego FR-4 wynosi zwykle około 0,02, podczas gdy Df materiałów o wysokiej częstotliwości i dużej prędkości (takich jak Rogers RO4350B) może wynosić zaledwie 0,0037 lub nawet mniej. Im mniejszy Df, tym mniejsze nagrzewanie i tłumienie sygnału spowodowane przez sam materiał.
3. Impedancja charakterystyczna (Z0): Impedancja charakterystyczna „karty identyfikacyjnej” linii przesyłowej to stosunek chwilowego napięcia do chwilowego prądu występującego podczas propagacji sygnału w linii przesyłowej, mierzony w omach (Ω). Nie jest to prosty rezystor prądu stałego, ale kompleksowa charakterystyka określona przez rozproszoną rezystancję (R), indukcyjność (L), przewodność (G) i pojemność (C) linii przesyłowej. W środowiskach o wysokiej częstotliwości impedancję charakterystyczną można w przybliżeniu uprościć jako Z0=√ (L/C).
·Znaczenie liczbowe: W projektowaniu płytek PCB wspólna kontrola impedancji dla przewodów sygnałowych z pojedynczym zakończeniem wynosi 50 Ω lub 75 Ω, podczas gdy sygnały różnicowe wynoszą zwykle 90 Ω lub 100 Ω. Utrzymanie ciągłości impedancji (tzn. dopasowanie impedancji) jest kluczem do zapobiegania odbiciom sygnału.
4. Tłumienie wtrąceniowe (IL): „Opłata drogowa” za sygnał. Tłumienność wtrąceniowa odnosi się do stopnia tłumienia mocy wyjściowej w stosunku do mocy wejściowej po przejściu sygnału przez linię transmisyjną, zwykle wyrażanego w decybelach (dB). Jest to makroskopowy końcowy wskaźnik wydajności, który bezpośrednio odzwierciedla „koszt” ponoszony przez sygnał na ścieżce transmisji. Jego matematyczna definicja to S21 = -10 * log(Po/Pi), gdzie Pi to moc wejściowa, a Po to moc wyjściowa.
· Znaczenie liczbowe: Im mniejsza wartość bezwzględna tłumienia wtrąceniowego, tym lepiej (tzn. im wartość dB jest bliższa 0). Na przykład tłumienność wtrąceniowa wynosząca -3dB oznacza, że moc sygnału jest tracona o połowę. W testach praktycznych jednostką tłumienia wtrąceniowego jest zwykle db/cal. Dlaczego tak jest? W zastosowaniach inżynieryjnych, w przypadku pomiarów standardowych, tłumieniu wtrąceniowemu zwykle towarzyszy jednostka długości (taka jak dB/cal lub dB/cm), ale w definicjach teoretycznych i budżetach łączy systemowych jest to czysta wartość dB.
· Dlaczego w definicji jest to zwykle zapisywane jako dB/cal (lub dB/cm): „Warunki szczególne”. Istotą tłumienia wtrąceniowego jest stosunek tłumienia mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Ponieważ im dłużej sygnał przemieszcza się linią transmisyjną, tym większe jest tłumienie, nie ma sensu mówić po prostu „strata wtrąceniowa wynosi 3 dB” – należy określić, na jakiej długości linii transmisyjnej został zmierzony. Dlatego też, aby ujednolicić właściwości materiałów w arkuszach danych, producenci zazwyczaj normalizują tłumienie wtrąceniowe do długości jednostkowej, przy użyciu popularnych jednostek, w tym: · dB/cal: cale, powszechnie używane przez amerykańskich producentów arkuszy (takich jak Rogers i Isola). · dB/cm: centymetry, powszechnie używane przez producentów europejskich i azjatyckich. · dB/m: metry, używane głównie do opisywania kabli RF o bardzo niskich stratach. · Skąd bierze się zamieszanie: Kontekst tych dwóch wyrażeń · Kontekst właściwości materiału (długość jednostkowa dB): Kiedy wybieramy materiały, stwierdzenie „tłumienie wtrąceniowe materiału A wynosi 0,7 dB/cal przy 10 GHz” odnosi się do tłumienia 0,7 dB na cal linii transmisyjnej przy częstotliwości 10 GHz. Odzwierciedla to charakterystykę strat samego materiału. · Kontekst łącza systemowego (całkowite dB): Kiedy projektanci obliczają całkowite tłumienie rzeczywistej linii transmisyjnej (np. ścieżki o długości 10 cali), obliczają je jako 0,7 dB/cal × 10 cali = 7 dB (plus inne straty, takie jak złącza). W tym momencie „całkowita tłumienność wtrąceniowa tego łącza wynosi 7 dB” nie uwzględnia jednostki długości, ponieważ jest to całkowita wartość tłumienia określonej ścieżki. · Konwersja i dodatkowe wyjaśnienia · Te dwie jednostki są zamienne: · 1 dB/cal ≈ 0,394 dB/cm · 1 dB/cm ≈ 2,54 dB/cal W przypadku testowania oprogramowania symulacyjnego lub analizatora sieci, mimo że ostateczną wyświetlaną jednostką osi krzywej jest dB, podczas ustawiania długości testowanego urządzenia przyrząd uwzględnił już współczynnik długości za pomocą technik takich jak „usuwanie osadzania”, a obliczony wynik jest w rzeczywistości wartością całkowitej tłumienia dB na określonej ścieżce.
Odnosząc się do „tłumienia wtrąceniowego materiału”, zwykle towarzyszy mu jednostka długości (taka jak dB/cal), aby ułatwić porównanie zalet różnych materiałów. Kiedy mówimy o „tłumieniu wtrąceniowym określonego kanału”, zwykle zapisuje się je po prostu jako dB, wskazując całkowite tłumienie tej ścieżki