La maggior parte delle scelte di materiale per antenne si basa su un equilibrio tra perdite, costi e processabilità.
Ma esiste una classe di design in cui il punto di equilibrio non sono le perdite. È il PIM.
La intermodulazione passiva è uno dei problemi più difficili da affrontare nelle antenne delle stazioni base e nei sistemi di comunicazione satellitare. A differenza delle perdite di inserzione, non può essere calcolata in un budget di collegamento. A differenza delle perdite di ritorno, non può essere vista durante la messa a punto. È una nuova frequenza interferente generata da non linearità nei materiali o nei punti di contatto quando segnali ad alta potenza attraversano componenti passivi. Se quelle frequenze finiscono all'interno di una banda di ricezione, la sensibilità della stazione base diminuisce e spesso non te ne accorgi nella fase di progettazione.
Recentemente abbiamo costruito una scheda F4BTME350 a 2 strati con uno spessore finito di soli 0,3 mm. Serve esattamente questo tipo di applicazione: sensibile al PIM e con vincoli di altezza. Ma questo articolo non riguarda solo quanto bene è stata costruita la scheda. Riguarda quando F4BTME350 è necessario e quando è eccessivo.
La Scheda Stessa
Il materiale di base è F4BTME350, un PCB rigido a 2 strati. Le dimensioni sono 89,77 mm × 45,16 mm, mantenute entro ±0,15 mm. La traccia e lo spazio minimi sono 6/8 mils e la dimensione minima del foro è 0,25 mm. Nessun via cieco.
Lo spessore finito è di 0,3 mm, con rame da 1 oz (35 μm) sugli strati esterni e placcatura dei via da 20 μm. La finitura superficiale è oro per immersione. La serigrafia superiore è bianca, senza serigrafia inferiore. La maschera di saldatura superiore è nera, senza maschera di saldatura inferiore. Ogni scheda viene testata elettricamente al 100% prima della spedizione, costruita secondo IPC-Class-2, con artwork fornito in Gerber RS-274-X.
Le statistiche: 12 componenti, 38 pad totali, 9 via, 2 reti. Non molti pad, ma ognuno ha un compito chiaro. Questo è un design piccolo e mirato, non una scheda per scopi generali.
Lo stackup è rame da 35 μm, un nucleo F4BTME350 da 0,254 mm (10 mil) e rame da 35 μm. A 0,3 mm finito, la scheda è circa un quinto dello spessore di una normale scheda FR-4 da 1,6 mm. Il nucleo è solo di 10 mil, quindi la scheda è notevolmente flessibile e la deformazione e i danni da manipolazione richiedono un attento controllo durante la lavorazione.
Il Vero Valore di F4BTME350: PIM
F4BTME350 ha una costante dielettrica di 3,5 e un fattore di dissipazione di 0,0025 a 10 GHz. Questi numeri non sono estremi di per sé: il Dk è leggermente inferiore all'FR-4 e il Df è migliore dell'FR-4 standard ma non così basso come il PTFE puro.
Ciò che lo rende difficile da sostituire nelle applicazioni di antenne per stazioni base e comunicazioni satellitari sono le sue prestazioni PIM: ≤ -160 dBc.
Questo numero necessita di contesto. A 1900 MHz, un'antenna ben progettata punta tipicamente a un PIM tra -150 e -155 dBc. A -160 dBc, il contributo PIM del materiale stesso viene ridotto a un livello effettivamente trascurabile.
La chiave per ottenere questo risultato è il foglio di rame. F4BTME350 utilizza foglio di rame trattato al rovescio (RTF) anziché rame standard elettrodepositato. Il foglio RTF ha una minore rugosità superficiale e le superfici in rame ruvide sono una fonte significativa di PIM. La serie F4BTM utilizza rame ED ed è adatta per applicazioni senza requisiti PIM; la serie F4BTME passa al foglio RTF specificamente per minimizzare la non linearità nei design sensibili al PIM.
In altre parole, il sovrapprezzo pagato per F4BTME350 acquista PIM, non Dk o Df
.
La Realtà di Lavorazione di un Nucleo da 0,254 mm
Un nucleo da 10 mil è sottile per la famiglia F4BTME. A questo spessore, la rigidità meccanica della scheda deriva principalmente dagli strati di rame e dalla successiva maschera di saldatura e finitura superficiale. Il nucleo stesso fornisce un supporto strutturale limitato.
La sfida della foratura è la dimensione minima del foro di 0,25 mm. Su uno spessore finito di 0,3 mm, questo è un rapporto d'aspetto di circa 1,2:1, non estremo, ma su una scheda sottile, il supporto e l'evacuazione dei trucioli durante la foratura richiedono attenzione. Tutti i 9 via sono passanti e la placcatura da 20 μm deve essere uniforme sulle pareti del foro in condizioni di scheda sottile.
La finitura superficiale è oro per immersione. Per le schede RF, questa è una scelta sicura: nessun problema di perdita dello strato di nichel come ENIG, buona planarità, saldatura affidabile. In combinazione con il rame RTF a bassa rugosità di F4BTME350, l'oro per immersione aiuta a mantenere basse le perdite del conduttore.
La scheda ha una maschera di saldatura nera solo sulla parte superiore, senza nulla sul fondo. Questo è comune nelle schede per antenne: la maschera di saldatura ha proprietà dielettriche che possono influenzare l'impedenza delle tracce RF e la sua rimozione sul fondo elimina questa variabile esponendo il rame per la dissipazione del calore o il contatto di messa a terra. La maschera superiore nera con serigrafia bianca fornisce un contrasto sufficiente per l'assemblaggio e l'ispezione. Nessuna serigrafia inferiore, perché il fondo è tipicamente un piano di massa o una superficie di montaggio dove le marcature non servono a nulla.
Quando F4BTME350 È NecessarioQuando il PIM è il fattore limitante a livello di sistema.
La sensibilità di ricezione della stazione base è direttamente influenzata dal PIM. Se un materiale da -150 dBc aumentasse il rumore di fondo al punto da degradare le prestazioni di ricezione, allora -160 dBc non è "meglio" ma è richiesto.Quando l'altezza è fortemente vincolata.
Uno spessore finito di 0,3 mm è adatto per array di antenne altamente integrati o front-end RF compatti. Una scheda sottile riduce l'altezza complessiva dello stack mantenendo le prestazioni elettriche.Quando frequenza e potenza sono entrambe elevate.
Comunicazioni satellitari, antenne phased array, amplificatori ad alta potenza: queste applicazioni sono sensibili sia alla stabilità termica che alla non linearità, e il CTE di F4BTME350 (10 ppm/°C in X, 12 ppm/°C in Y) e il basso coefficiente termico del Dk hanno un valore reale in queste condizioni.
Quando Non Dovresti Usarlo
Questa è la parte che la maggior parte delle schede tecniche sui materiali salta, ed è la parte più utile per i lettori.Se il tuo design opera al di sotto di 1 GHz.
A basse frequenze, il PIM di solito non è un collo di bottiglia a livello di sistema. La specifica di -160 dBc di F4BTME350 è eccessiva. La serie F4BTM con rame ED potrebbe essere del tutto sufficiente a un costo inferiore.Se il PIM non è una preoccupazione a livello di sistema.
Non tutte le schede RF gestiscono alta potenza. Amplificatori a basso rumore, catene di ricezione a segnale debole, schede di test da laboratorio: in questi casi, il PIM non sarà il fattore limitante, e pagare un sovrapprezzo per esso non ha senso.Se non hai bisogno di 0,3 mm.
Le schede sottili sono più difficili da lavorare, con un controllo di resa più complesso. Se l'altezza del modulo lo consente, una scheda F4BTME di spessore standard è più facile da lavorare, più conveniente e meccanicamente più affidabile. Sottile non è un vantaggio di per sé, diventa tale solo quando l'altezza è vincolata.Se il costo è il primo vincolo.
Il rame RTF di F4BTME350 e la sua formulazione a basso PIM lo rendono un materiale premium. Nelle applicazioni sensibili al costo dove i requisiti PIM sono modesti, l'FR-4 standard o la serie F4BTM è la scelta ingegneristica più ragionevole.
In SintesiF4BTME350 non è un materiale per antenne per scopi generali. È una soluzione mirata:
guadagna il suo sovrapprezzo quando il PIM è il fattore limitante nel tuo budget di collegamento e quando l'altezza deve essere compressa al livello di 0,3 mm
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