Η επιλογή υλικών για κεραίες βασίζεται συνήθως στην ισορροπία μεταξύ απωλειών, κόστους και επεξεργασιμότητας.

Ωστόσο, υπάρχει μια κατηγορία σχεδίων όπου το σημείο ισορροπίας δεν είναι οι απώλειες. Είναι το PIM.

Η παθητική διαμόρφωση είναι ένα από τα δυσκολότερα προβλήματα που αντιμετωπίζονται στις κεραίες σταθμών βάσης και στα συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών. Σε αντίθεση με τις απώλειες εισαγωγής, δεν μπορεί να υπολογιστεί από έναν προϋπολογισμό σύνδεσης. Σε αντίθεση με τις απώλειες επιστροφής, δεν μπορεί να φανεί κατά τη διάρκεια της ρύθμισης. Είναι μια νέα παρεμβαλλόμενη συχνότητα που παράγεται από μη γραμμικότητες σε υλικά ή σημεία επαφής όταν σήματα υψηλής ισχύος περνούν μέσα από παθητικά εξαρτήματα. Εάν αυτές οι συχνότητες πέσουν μέσα σε μια ζώνη λήψης, η ευαισθησία του σταθμού βάσης μειώνεται – και συχνά δεν θα το συνειδητοποιήσετε στο στάδιο του σχεδιασμού.

Πρόσφατα κατασκευάσαμε μια πλακέτα 2 στρωμάτων F4BTME350 με τελικό πάχος μόλις 0,3mm. Εξυπηρετεί ακριβώς αυτό το είδος εφαρμογής: ευαίσθητη στο PIM και περιορισμένη σε ύψος. Αλλά αυτό το άρθρο δεν αφορά μόνο το πόσο καλά κατασκευάστηκε η πλακέτα. Αφορά το πότε είναι απαραίτητο το F4BTME350 και πότε είναι υπερβολικό.

Η ίδια η πλακέτα

Το βασικό υλικό είναι το F4BTME350, ένα άκαμπτο PCB 2 στρωμάτων. Οι διαστάσεις είναι 89,77mm × 45,16mm, με ανοχή ±0,15mm. Η ελάχιστη γραμμή και απόσταση είναι 6/8 mils, και το ελάχιστο μέγεθος οπής είναι 0,25mm. Χωρίς τυφλές βίδες.

Το τελικό πάχος είναι 0,3mm, με χαλκό 1oz (35 μm) στα εξωτερικά στρώματα και επιμετάλλωση οπών 20 μm. Η επιφανειακή επεξεργασία είναι εμβάπτιση χρυσού. Η επάνω μεταξοτυπία είναι λευκή, χωρίς κάτω μεταξοτυπία. Η επάνω μάσκα συγκόλλησης είναι μαύρη, χωρίς κάτω μάσκα συγκόλλησης. Κάθε πλακέτα ελέγχεται ηλεκτρικά 100% πριν από την αποστολή, κατασκευασμένη σύμφωνα με το IPC-Class-2, με έργα τέχνης σε μορφή Gerber RS-274-X.

Τα στατιστικά: 12 εξαρτήματα, 38 συνολικά pads, 9 βίδες, 2 δίκτυα. Όχι πολλά pads – αλλά κάθε ένα έχει σαφή ρόλο. Αυτός είναι ένας μικρός, εστιασμένος σχεδιασμός, όχι μια πλακέτα γενικής χρήσης.

Η στοίβαξη είναι χαλκός 35 μm, ένας πυρήνας F4BTME350 0,254mm (10mil) και χαλκός 35 μm. Στα 0,3mm τελικό πάχος, η πλακέτα είναι περίπου το ένα πέμπτο του πάχους μιας τυπικής πλακέτας FR-4 1,6mm. Ο πυρήνας είναι μόνο 10mil, οπότε η πλακέτα είναι αισθητά εύκαμπτη, και η παραμόρφωση και η ζημιά από χειρισμό απαιτούν προσεκτικό έλεγχο κατά την επεξεργασία.

Η πραγματική αξία του F4BTME350: PIM

Το F4BTME350 έχει διηλεκτρική σταθερά 3,5 και συντελεστή διάχυσης 0,0025 στα 10GHz. Αυτοί οι αριθμοί δεν είναι ακραίοι από μόνοι τους – η Dk είναι ελαφρώς χαμηλότερη από την FR-4, και η Df είναι καλύτερη από την τυπική FR-4 αλλά όχι τόσο χαμηλή όσο η καθαρή PTFE.

Αυτό που το καθιστά δύσκολο να αντικατασταθεί σε εφαρμογές κεραιών σταθμών βάσης και δορυφορικών επικοινωνιών είναι η απόδοσή του στο PIM: ≤ -160 dBc.

Αυτός ο αριθμός χρειάζεται πλαίσιο. Στα 1900 MHz, μια καλά σχεδιασμένη κεραία στοχεύει συνήθως PIM μεταξύ -150 και -155 dBc. Στα -160 dBc, η δική του συμβολή PIM του υλικού ωθείται σε ένα επίπεδο που είναι ουσιαστικά αμελητέο.

Το κλειδί για την επίτευξη αυτού είναι το φύλλο χαλκού. Το F4BTME350 χρησιμοποιεί φύλλο χαλκού με αντίστροφη επεξεργασία (RTF) αντί για τυπικό ηλεκτρολυτικά εναποτεθειμένο χαλκό. Το φύλλο RTF έχει χαμηλότερη τραχύτητα επιφάνειας, και οι τραχιές επιφάνειες χαλκού είναι σημαντική πηγή PIM. Η σειρά F4BTM χρησιμοποιεί χαλκό ED και είναι κατάλληλη για εφαρμογές χωρίς απαιτήσεις PIM. Η σειρά F4BTME αλλάζει σε φύλλο RTF ειδικά για να ελαχιστοποιήσει τη μη γραμμικότητα σε σχέδια ευαίσθητα στο PIM.

Με άλλα λόγια, το ασφάλιστρο που πληρώνετε για το F4BTME350 αγοράζει PIM, όχι Dk ή Df

.

Η πραγματικότητα της επεξεργασίας ενός πυρήνα 0,254mm

Ένας πυρήνας 10mil είναι λεπτός για την οικογένεια F4BTME. Σε αυτό το πάχος, η μηχανική ακαμψία της πλακέτας προέρχεται κυρίως από τα στρώματα χαλκού και την επακόλουθη μάσκα συγκόλλησης και την επιφανειακή επεξεργασία. Ο ίδιος ο πυρήνας παρέχει περιορισμένη δομική υποστήριξη.

Η πρόκληση της διάτρησης είναι το ελάχιστο μέγεθος οπής 0,25mm. Σε ένα τελικό πάχος 0,3mm, αυτό είναι περίπου ένας λόγος όψης 1,2:1 – όχι ακραίο, αλλά σε μια λεπτή πλακέτα, η υποστήριξη και η απομάκρυνση τσιπ κατά τη διάρκεια της διάτρησης χρειάζονται προσοχή. Όλες οι 9 βίδες είναι διαμπερείς, και η επιμετάλλωση 20 μm πρέπει να είναι ομοιόμορφη σε όλο τα τοιχώματα της οπής υπό συνθήκες λεπτής πλακέτας.

Η επιφανειακή επεξεργασία είναι εμβάπτιση χρυσού. Για πλακέτες RF, αυτή είναι μια ασφαλής επιλογή – κανένα πρόβλημα απώλειας νικελίου όπως το ENIG, καλή επιπεδότητα, αξιόπιστη συγκόλληση. Σε συνδυασμό με τον χαλκό RTF χαμηλής τραχύτητας του F4BTME350, ο εμβαπτιζόμενος χρυσός βοηθά στη διατήρηση χαμηλών απωλειών αγωγού.

Η πλακέτα έχει μαύρη μάσκα συγκόλλησης μόνο στην επάνω πλευρά, χωρίς στην κάτω. Αυτό είναι συνηθισμένο σε κεραίες: η μάσκα συγκόλλησης έχει διηλεκτρικές ιδιότητες που μπορούν να επηρεάσουν την αντίσταση της γραμμής RF, και η αφαίρεσή της στην κάτω πλευρά εξαλείφει αυτή τη μεταβλητή, ενώ εκθέτει τον χαλκό για απαγωγή θερμότητας ή επαφή γείωσης. Η μαύρη επάνω μάσκα με λευκή μεταξοτυπία παρέχει επαρκή αντίθεση για συναρμολόγηση και επιθεώρηση. Καμία κάτω μεταξοτυπία, επειδή η κάτω πλευρά είναι συνήθως ένα επίπεδο γείωσης ή επιφάνεια στήριξης όπου οι σημάνσεις δεν εξυπηρετούν κανένα σκοπό.

Πότε είναι απαραίτητο το F4BTME350Όταν το PIM είναι ο περιοριστικός παράγοντας σε επίπεδο συστήματος.

Η ευαισθησία λήψης του σταθμού βάσης επηρεάζεται άμεσα από το PIM. Εάν ένα υλικό -150 dBc θα αύξανε το επίπεδο θορύβου αρκετά ώστε να υποβαθμίσει την απόδοση λήψης, τότε το -160 dBc δεν είναι «καλύτερο» – είναι απαραίτητο.Όταν το ύψος είναι περιορισμένο.

Ένα τελικό πάχος 0,3mm είναι κατάλληλο για εξαιρετικά ενσωματωμένες συστοιχίες κεραιών ή συμπαγείς μπροστινούς ενισχυτές RF. Μια λεπτή πλακέτα μειώνει το συνολικό ύψος της στοίβαξης, διατηρώντας παράλληλα την ηλεκτρική απόδοση.Όταν η συχνότητα και η ισχύς είναι και οι δύο υψηλές.

Δορυφορικές επικοινωνίες, κεραίες φασικής διάταξης, ενισχυτές υψηλής ισχύος – αυτές οι εφαρμογές είναι ευαίσθητες τόσο στη θερμική σταθερότητα όσο και στη μη γραμμικότητα, και το CTE του F4BTME350 (10 ppm/°C σε X, 12 ppm/°C σε Y) και ο χαμηλός θερμικός συντελεστής του Dk έχουν πραγματική αξία υπό αυτές τις συνθήκες.

Πότε δεν πρέπει να το χρησιμοποιείτε

Αυτό είναι το μέρος που παραλείπουν οι περισσότερες αναφορές υλικών, και είναι το πιο χρήσιμο μέρος για τους αναγνώστες.Εάν ο σχεδιασμός σας λειτουργεί κάτω από 1 GHz.

Σε χαμηλές συχνότητες, το PIM συνήθως δεν αποτελεί πρόβλημα σε επίπεδο συστήματος. Η προδιαγραφή -160 dBc του F4BTME350 είναι υπερβολική. Η σειρά F4BTM με χαλκό ED μπορεί να είναι απολύτως επαρκής με χαμηλότερο κόστος.Εάν το PIM δεν αποτελεί ανησυχία σε επίπεδο συστήματος.

Δεν λειτουργούν όλες οι πλακέτες RF με υψηλή ισχύ. Ενισχυτές χαμηλού θορύβου, αλυσίδες λήψης μικρού σήματος, πλακέτες εργαστηριακών δοκιμών – σε αυτές, το PIM δεν θα είναι ο περιοριστικός παράγοντας, και η πληρωμή ενός premium για αυτό δεν έχει νόημα.Εάν δεν χρειάζεστε 0,3mm.

Οι λεπτές πλακέτες είναι πιο δύσκολες στην επεξεργασία, με πιο σύνθετο έλεγχο απόδοσης. Εάν το ύψος της μονάδας το επιτρέπει, μια πλακέτα F4BTME τυπικού πάχους είναι ευκολότερη στην επεξεργασία, πιο οικονομική και μηχανικά πιο αξιόπιστη. Το λεπτό δεν είναι πλεονέκτημα από μόνο του – γίνεται μόνο όταν το ύψος είναι περιορισμένο.Εάν το κόστος είναι ο πρώτος περιορισμός.

Ο χαλκός RTF του F4BTME350 και η σύνθεση χαμηλού PIM το καθιστούν ένα premium υλικό. Σε εφαρμογές ευαίσθητες στο κόστος όπου οι απαιτήσεις PIM είναι μέτριες, η τυπική FR-4 ή η σειρά F4BTM είναι η πιο λογική μηχανική επιλογή.

Το συμπέρασμαΤο F4BTME350 δεν είναι ένα υλικό κεραίας γενικής χρήσης. Είναι μια στοχευμένη λύση:

κερδίζει το premium του όταν το PIM είναι ο περιοριστικός παράγοντας στον προϋπολογισμό σύνδεσής σας, και όταν το ύψος πρέπει να συμπιεστεί στο επίπεδο των 0,3mm