Comuníquese con PCBark Company
Cuando la señal se pierde en la pista: el problema de las pérdidas a alta frecuencia
Las pérdidas en el conductor y el dieléctrico a frecuencias de microondas se describen en la literatura de ingeniería de microondas del IEEE.
Incluso una pista de cobre de 2 oz perfectamente enrutable a 500 mils supone un reto de fabricación de PCB por la necesidad de controlar sus dimensiones, el apilamiento de capas y las tolerancias ante cualquier variación.
Nos esforzamos por controlar estrechamente las tolerancias de cualquier pista de 2 oz que podamos fabricar sobre un sustrato plano de 5 mil, sobre todo si se trata de un apilamiento de capas más complejo…
…sin embargo, si la impedancia es realmente importante, quizá convenga usar una pista de 1 oz o de 0.5 oz, o reducir el ancho a .180 pulgadas o .190 pulgadas.
En la mayoría de los diseños modernos de PCB con un rango de frecuencias y un sustrato convencionales, estos parámetros son estándar para todos los materiales; en los diseños que emplean materiales de mayor rendimiento o especializados, obtener el ancho ideal resulta más difícil.
Los circuitos de radiofrecuencia y alta frecuencia que requieren características eléctricas precisas y confiables necesitan materiales avanzados y técnicas de fabricación de precisión.
Cuando los sustratos convencionales a base de FR-4 fallan por la falta de integridad de la señal (tangente de pérdidas de ~0.02), los laminados de RF como Rogers y los compuestos a base de PTFE ofrecen mejores resultados.
Estos materiales especializados ofrecen tangentes de pérdidas bajas (de hasta 0.001-0.003) y constantes dieléctricas (Dk) estables en un amplio espectro de frecuencias. Nuestra experiencia nos permite cumplir los requisitos de su diseño desde el esquema inicial hasta el producto final.
Desde diseños que operan en el rango bajo de GHz hasta diseños de alta velocidad y microondas, nuestras instalaciones de fabricación de última generación y nuestros ingenieros experimentados ofrecen soluciones de la más alta calidad para satisfacer todas las exigencias de sus aplicaciones.
En PCBark no solo desarrollamos soluciones a medida: también comprendemos los principios físicos que explican su funcionamiento. Puede confiar en nuestra capacidad para cumplir parámetros de diseño estrictos sin comprometer la calidad ni la confiabilidad.
Nos especializamos en suministrar PCB de alta calidad para telemetría de dispositivos médicos, dispositivos digitales de alta velocidad, redes de comunicación y equipos de telecomunicaciones, equipos médicos, sistemas de radar para aviación y automóviles, electrónica de defensa, instrumentación y equipos de almacenamiento y redes informáticas. Hágalo bien desde el principio y evite rediseños costosos y retrasos en el cronograma. Nuestros procesos y controles de última generación garantizan que reciba lo prometido en el diseño.
Capacidades de PCBark para PCB de RF y microondas, por banda de frecuencia
Características de la placa de circuito impreso • Impedancia y pérdidas confiables • Amplio rango de frecuencias.
Estructuras de líneas de transmisión que fabricamos
Selección de laminados de RF: Dk, Df y presupuesto de pérdidas de inserción por banda
A diferencia de un fabricante convencional, PCBark no recomendará un laminado de 77 GHz para una placa de circuito impreso de 2.4 GHz: la elección correcta es el material de menores pérdidas que se ajuste a su presupuesto, porque por encima de 40 GHz la rugosidad superficial del cobre puede añadir por sí sola pérdidas de inserción considerables.
La elección de los materiales base y la lámina de cobre influye en prácticamente todas las decisiones de diseño posteriores y sus riesgos: el material se elige principalmente por 2 parámetros, la constante dieléctrica (Dk), que determina las dimensiones físicas de las pistas, y el factor de disipación (Df, o tangente de pérdidas), que determina cuánto se atenúa la señal a una frecuencia determinada. Nuestra tabla de planificación del presupuesto de pérdidas de inserción por banda de frecuencia y material relaciona la pérdida permitida en dólares para cada banda de hasta 77 GHz con una selección específica de materiales.
| Material | Dk a 10 GHz | Df a 10 GHz | Banda óptima | Por qué se elige |
|---|---|---|---|---|
| RT/duroid 5880 | 2.20 | 0.0009 | 40–77 GHz+ | Pérdidas mínimas; radar de ondas milimétricas y SatCom |
| RO3003 | 3.00 | 0.0010 | 24–77 GHz | Dk estable para radar automotriz |
| RO4003C | 3.38 | 0.0027 | 2–40 GHz | Bajas pérdidas; proceso compatible con FR-4 |
| Isola I-Tera MT40 | 3.45 | 0.0031 | 2–30 GHz | RF y microondas con costo equilibrado |
| RO4350B | 3.48 | 0.0037 | 2–25 GHz | Clasificación UL 94V-0; potencia/transmisión |
| Megtron 6 | 3.35 | 0.0040 | 1–25 GHz | Diseño híbrido digital de alta velocidad + RF |
| FR-4 estándar | 4.2–4.8 | ~0.020 | Solo <2 GHz | Costo de referencia; presenta pérdidas por encima de 6 GHz |
Nota de ingeniería: rugosidad del cobre a frecuencias de ondas milimétricas
A 77 GHz, no basta con elegir el material base. La rugosidad real de la superficie del conductor puede añadir fácilmente un 25-45% de pérdida de señal a sus líneas de transmisión de 77 GHz...
...en comparación con conductores de superficie más lisa. Por encima de 40 GHz, siempre utilizamos lámina de cobre con tratamiento inverso (clase LoPro), que puede reducir las pérdidas del conductor alrededor de un 10-15% al disminuir la conductividad de la superficie del cobre en la interfaz con el dieléctrico; esa diferencia puede determinar si el diseño de una placa de circuito impreso cumple o no su especificación de ganancia objetivo en un arreglo de 88 parches, aunque sí la cumpla en la etapa frontal de un radar de 77 GHz con un trazado adecuado.
Advertencia final para ingenieros que diseñan placas de circuito impreso de alta frecuencia:
es un error creer que un cobre más grueso siempre mejora el desempeño de una placa de circuito impreso de alta frecuencia. Si se usa en exceso, el cobre puede contribuir a la tensión mecánica y al alabeo...
...y puede introducir variaciones de impedancia entre pistas; ajustamos el espesor del cobre específicamente a la capacidad de corriente y la impedancia objetivo, sin recurrir a un valor estándar ni a suposiciones. Si se usa un laminado calificado conforme a IPC-4103, la norma industrial para laminados de alta velocidad y alta frecuencia que mantiene la variación de Dk dentro de aproximadamente ±0.05 entre 1–20 GHz en materiales calificados, simplemente es demasiado grueso o no está especificado conforme a la característica de desempeño correcta para los requisitos de impedancia del diseño del circuito.
Mientras su fabricante convencional de PCB mantiene en inventario uno o dos laminados
PCBark mantiene internamente un ISO 9001 de laminados de alta frecuencia Rogers, Isola, Taconic, Arlon y PTFE/Teflon de hidrocarburo y cerámica...
...y comprobará el Dk (tangente de pérdidas) de su simulador de campos antes de fabricar la placa de circuito impreso: la buena noticia es que su simulador acertó; la mala es que una discrepancia entre 0.0027 y 0.020 le causará problemas. El CTE se ajusta entre las capas híbridas. La impedancia de las líneas de un solo extremo y diferenciales se ajusta según cada material. La elección correcta no es el material más barato disponible, sino el que cumple su presupuesto de pérdidas a SU frecuencia; no le impondremos innecesariamente un laminado de 77 GHz a una placa de circuito impreso de 2.4 GHz.
PCB de RF y microondas frente a FR-4: el punto en que conviene cambiar, sin dogmas
Las estructuras de adaptación de impedancias para placas de circuito impreso de RF se documentan en la patente US9331720B2 de USPTO.
Aplicaciones: 5G, radar, satélites y ondas milimétricas
Las topologías de placas de circuito impreso de RF para estos sistemas aparecen en la patente US20050190614A1 de USPTO.
No existe un único laminado de RF correcto, y cada ingeniero de RF tiene uno favorito según su experiencia. Por eso elaboramos nuestra tabla de selección de materiales de microondas por aplicación, que relaciona los casos de uso con los laminados y las frecuencias que empleamos habitualmente para implementarlos.
Antena de estación base 5G y MIMO masivo
Frecuencia
28 / 39 GHz
Material habitual
RO4003C / RO4350B
Atributo crítico
Uniformidad de Dk en todo el panel para la adaptación de fase
Radar ADAS automotriz
Frecuencia
24 y 77–79 GHz
Material habitual
RO3003 / RT-duroid
Atributo crítico
Estabilidad de Dk de −40 a +85 °C
Cargas útiles satelitales y de SatCom
Frecuencia
6–40 GHz
Material habitual
RT/duroid, con carga cerámica
Atributo crítico
Baja emisión de gases y baja absorción de humedad
Amplificadores de potencia de RF
Frecuencia
1–10 GHz
Material habitual
RO4350B + cobre pesado
Atributo crítico
Conductividad térmica + UL 94V-0
Dispositivos de prueba y medición
Frecuencia
DC–40 GHz
Material habitual
RO4003C
Atributo crítico
Tolerancia estricta de Dk (bajo error de medición)
Las aplicaciones más exigentes que atendemos son las de radar automotriz a 77 GHz.
Un arreglo de parches de ochenta y ocho elementos con RF35 sobre un material Rogers RO4003C podría alcanzar una ganancia superior a 20 dBi en un ancho de banda de GHz, pero si las pérdidas en las transiciones de las vías de interconexión no son las adecuadas, Dk se mantiene estable en el rango de temperaturas del habitáculo y no se minimiza la rugosidad de la lámina de cobre, el radar no funcionará. En esta banda, nuestro conjunto de capacidades de la categoría Máxima —32 capas, tolerancias de impedancia del 5%, metalización ENIG y evaluación TDR + RF— deja de ser una mera especificación y se convierte en la única razón por la que funciona.
Una elección incorrecta del laminado aquí implica una falla tardía y costosa: el radar pasa las pruebas a temperatura ambiente, luego queda fuera de tolerancia a 40 °C y usted lo descubre después de fabricar el herramental.
A diferencia de un fabricante genérico, PCBark cuantifica la relación entre Dk y temperatura para su banda, de modo que la frecuencia de resonancia se mantenga en todo el rango automotriz; esta es la elección correcta para una fabricación de 77 GHz crítica para la seguridad y la razón estructural por la que evaluamos mediante RF cada lote de ondas milimétricas.
Herramientas avanzadas de ingeniería para PCB de RF y microondas
Selector de material de RF y microcinta de 50 Ω
Elija la frecuencia y la altura del sustrato para obtener una recomendación de laminado y un ancho aproximado de pista para 50 Ω. Son solo estimaciones; PCBark las confirma con un simulador electromagnético.
Acceder a la herramientaFR-4 frente a Rogers RO4003C: calculadora del punto de equilibrio
Compare la diferencia en pérdida de inserción y el costo para su diseño antes de elegir un material. Estimaciones basadas en cifras publicadas a 10 GHz.
Acceder a la calculadoraEstimador del índice de costo de un apilamiento de capas híbrido
Compare una placa de circuito impreso fabricada íntegramente con material de RF con una híbrida (capas de RF + FR-4) mediante un índice de costo relativo (placa de circuito impreso de FR-4 = 1.0). Muestra por qué usar material de RF solo donde se necesita ayuda a cuidar el presupuesto.
Acceder al estimadorPreguntas frecuentes sobre PCB de RF y alta frecuencia
Una PCB de alta frecuencia transporta señales analógicas de RF o microondas (sinusoidales, en el rango de GHz), para las que la estabilidad de Dk y la pérdida de inserción son las métricas clave. Las PCB de alta velocidad se usan para señales digitales con flancos rápidos, donde importan la integridad de los flancos, la temporización y la diafonía. Ambas requieren materiales similares y un Dk bajo y estable, pero sus prioridades de diseño son diferentes.
Sí, el FR-4 debería funcionar en muchos diseños de hasta aproximadamente 6-7 GHz (y cuesta mucho menos). Para aplicaciones por encima de 6 GHz, una tangente de pérdidas de alrededor de 0.02 y la variación de dk hacen que el FR-4 sea poco conveniente, por lo que un laminado de RF de bajas pérdidas es una buena opción. Las placas de señales mixtas suelen usar apilamientos de capas híbridos, con FR-4 donde resulta adecuado y laminado de RF solo donde habrá señales de alta frecuencia o áreas de montaje de componentes.
Sea específico: indique claramente la impedancia y la tolerancia deseadas, incluya un cupón de prueba de reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) en el mismo panel y asegúrese de que la fábrica mida los cupones TDR de cada lote, en lugar de basarse en valores de impedancia calculados a partir del ancho de pista. Todos los pedidos de PCBark con impedancia controlada incluyen un cupón de prueba TDR, y los lotes de alta frecuencia también se prueban con un VNA en nuestros equipos de RF.
Los laminados de Dk bajo y pérdidas ultrabajas, como Rogers RO3003 o RT/duroid, son habituales para radares de 77 GHz porque mantienen estable el Dk en todo el rango de temperaturas automotrices. Combínelos con cobre LoPro para reducir las pérdidas en el conductor a frecuencias mmWave. El diseñador de PCBark confirma el grado exacto según sus objetivos de ganancia y ancho de banda durante la revisión DFM.
10% para muchos diseños por debajo de 6 GHz, 8% para los que usan Best y 5% para los fabricados con Maximum; todo se verifica mediante TDR en nuestro sistema. Solicitar tolerancias más estrictas de lo necesario, como 3%, suele aumentar el costo; por eso definimos cuidadosamente sus tolerancias para maximizar el desempeño sin complicar de más el apilamiento de capas de producción.
