Comprensione del passaggio dalle microonde alle onde millimetriche nella progettazione di PCB

 

Nel campo dell'ingegneria elettronica, la progettazione di circuiti stampati (PCB) affronta numerose sfide e trasformazioni all'aumentare delle frequenze operative e il passaggio dalla banda di frequenza a microonde alla banda di frequenza delle onde millimetriche rappresenta un punto di svolta tecnologico critico.

Le microonde si riferiscono generalmente alle onde elettromagnetiche con frequenze tra 300 MHz e 30 GHz, ampiamente utilizzate nella comunicazione (come radar, comunicazione satellitare), navigazione e altri campi. Un sistema tecnico relativamente maturo è stato formato per la progettazione di PCB in questa banda di frequenza. Ad esempio, nella progettazione della linea di trasmissione, esiste una vasta esperienza pratica nel controllo dell'impedenza caratteristica di strutture come linee di microstrip e strisce e garantire l'integrità del segnale.

Le onde millimetriche, d'altra parte, sono onde elettromagnetiche con frequenze che vanno da 30 GHz a 300 GHz. Negli ultimi anni hanno attirato un'attenzione significativa a causa delle richieste di applicazione emergente come la comunicazione 5G\/6G, il radar di guida autonomo e l'imaging ad alta precisione. Tuttavia, quando si passa a onde millimetriche, PCB Design deve affrontare una serie di nuovi problemi:

 

1. Tecnologia delle linee microstrip
La linea di microstrip è una delle tecnologie di linea di trasmissione più semplici e più comunemente utilizzate nei circuiti a microonde, grazie alla sua facilità di fabbricazione e ad alta resa. Tuttavia, quando si passa alle frequenze delle onde millimetriche, le linee di microstrip affrontano numerose sfide significative. Un problema chiave è la perdita di radiazioni. A frequenze più elevate, i circuiti di microstrip tendono a comportarsi come antenne, irradiando energia nell'aria circostante. Ciò porta a una perdita di segnale non necessaria, che diventa più grave all'aumentare della frequenza. Inoltre, la produzione di circuiti di microstrip richiede una precisione estremamente elevata, con rigide tolleranze per la larghezza del conduttore e lo spessore del rame. Man mano che la frequenza aumenta, i requisiti di tolleranza diventano ancora più severi e piccole deviazioni nel processo di produzione possono causare gravi problemi di prestazione.

Un'altra sfida sta nelle caratteristiche di propagazione delle onde elettromagnetiche nei circuiti di microstrip. Le onde elettromagnetiche si propagano non solo attraverso il materiale del circuito ma anche attraverso l'aria circostante, che ha una costante dielettrica bassa. La bassa costante dielettrica dell'aria influisce sulla costante dielettrica effettiva dell'intero circuito e deve essere presa in considerazione quando si modella il circuito. A frequenze delle onde millimetriche, i materiali del circuito con una costante dielettrica più bassa sono generalmente preferiti per ridurre la perdita del segnale, ma ciò può comportare una propagazione delle onde più lente e cambiamenti di fase.

 

2. Tecnologia stripline
Stripline è un'altra tecnologia a circuito affidabile in grado di operare a frequenze di onde millimetriche. Offre un eccellente isolamento perché il conduttore è completamente racchiuso da materiale dielettrico e piani di terra. Questo design garantisce che le onde elettromagnetiche si propagano interamente all'interno del materiale del circuito senza interagire con l'aria circostante. Tuttavia, il problema con Stripline è che è difficile lanciare segnali nel circuito a causa della sua struttura chiusa.

La creazione di connettori per l'ingresso e l'uscita del segnale diventa più impegnativa, specialmente alle frequenze delle onde millimetriche. Inoltre, questa tecnologia è altamente sensibile alle variazioni del processo di produzione, rendendo difficile ottenere le tolleranze richieste. Per questi motivi, Stripline è meno comunemente usato nei circuiti di onde millimetriche, ad eccezione di applicazioni specifiche come i sistemi radar automobilistici.

 

3. Substrato Guida d'onda integrata (SIW)
La tecnologia di guida d'onda integrata del substrato (SIW) sta guadagnando una crescente popolarità nelle applicazioni di onde millimetriche, in particolare nei radar automobilistici e in altri sistemi di comunicazione. SIW combina i vantaggi della tecnologia della guida d'onda e della fabbricazione di circuiti stampati (PCB). Forma una guida d'onda rettangolare compatta usando uno strato di metallo superiore, un piano di terra inferiore e file di fori attraverso (PTH). Questo design consente una propagazione del segnale a bassa perdita anche ad alte frequenze.

Tuttavia, la produzione di circuiti SIW richiede una precisione estremamente elevata. I PTH devono essere collocati in tolleranze molto strette, specialmente per frequenze più elevate, rendendo il processo di fabbricazione piuttosto impegnativo. Inoltre, SIW richiede materiali con variazioni minime nella costante dielettrica, il che aumenta ulteriormente le difficoltà di produzione.

 

4. Ground Guide Coplanar Wave (GCPW)
Ground Coplanar Wave Guide (GCPW) è un'altra promettente tecnologia di linea di trasmissione per i circuiti di onde millimetriche. La struttura GCPW combina materiali dielettrici e conduttori di rame per ottenere una propagazione del segnale a bassa perdita. È particolarmente adatto per applicazioni RF a banda larga, microonde e onde millimetriche, come i sistemi di test e di misurazione. GCPW può anche essere utilizzato in progetti integrati in cui sono richiesti circuiti sia a onda millimetrica che a bassa frequenza sullo stesso PCB.

Ma i circuiti GCPW sono sensibili alle variazioni del processo di produzione, come le variazioni della costante dielettrica del materiale dielettrico, lo spessore del substrato e la rugosità della superficie di rame. Questi fattori possono causare distorsioni di fase, che diventa più critica alle frequenze delle onde millimetriche. Per garantire prestazioni ottimali, è necessario un controllo rigoroso sul processo di produzione, incluso il mantenimento della larghezza e dello spessore del conduttore preciso.

 

Considerazioni chiave nel design del circuito delle onde millimetriche
Poiché le applicazioni a circuito di onde millimetriche come il radar automobilistico e le reti wireless 5G continuano a crescere, i progettisti devono considerare diversi fattori chiave quando selezionano i materiali del circuito e le tecnologie della linea di trasmissione:

 

Tolleranze di produzione:

I circuiti di onde millimetriche hanno requisiti di tolleranza estremamente elevati per la larghezza del conduttore, lo spessore dello strato dielettrico e la qualità della superficie del rame.

Integrità del segnale: è necessario ridurre al minimo l'impatto di fattori come perdita di radiazioni, distorsione di fase e cambiamenti nella costante dielettrica dei materiali per garantire prestazioni affidabili alle alte frequenze.

Selezione del materiale: la scelta dei materiali PCB è fondamentale per le prestazioni dei circuiti di onde millimetriche. I materiali con una costante dielettrica bassa sono preferiti per ridurre la perdita del segnale, ma le loro proprietà devono rimanere stabili alle alte frequenze.

 

Conclusione
La progettazione di circuiti di frequenza di onde millimetriche affronta sfide uniche, ma allo stesso tempo offre enormi opportunità per applicazioni emergenti come reti 5G e sistemi di assistenza ai conducenti avanzati (ADA). Comprendere i vantaggi e i limiti di diverse tecnologie di linea di trasmissione come linee di microstrip, stripline, SIW e GCPW è cruciale per prendere decisioni informate nel passaggio dal microonde al design delle onde millimetriche.