Die Produktionsgenauigkeit von HF-Leiterplatten-Übertragungsleitungen erfordert eine äußerst hohe Präzision. Der Hauptgrund liegt darin, dass sich PCB-Übertragungsleitungen in HF-Szenarien von gewöhnlichen „elektrischen Anschlüssen“ zu Kernkomponenten mit verteilten Parametern entwickelt haben, die die Schaltkreisleistung direkt bestimmen. Größenabweichungen im Mikromaßstab werden durch Hochfrequenzeffekte verstärkt, was zu erheblichen Leistungseinbußen führt.
Bei hohen Frequenzen hat die Wellenlänge die gleiche Größe wie die Drahtgröße
Je höher die Frequenz des HF-Signals, desto kürzer ist die Wellenlänge. Wenn die Leitungslänge λ/16 überschreitet, muss sie als Übertragungsleitung behandelt werden und kann nicht mehr als normale Leitung behandelt werden.
Im fahrzeugmontierten 77-GHz-Millimeterwellenradar-Szenario beträgt die Wellenlänge des Signals auf der FR-4-Platine nur 2,1 mm und der λ/16-Schwellenwert beträgt nur 0,13 mm. Jede Verdrahtungsgeometrie hat direkten Einfluss auf das elektrische Verhalten der Schaltung.
An diesem Punkt können bereits wenige Mikrometer Linienbreitenabweichung direkt die elektrische Länge der Übertragungsleitung verändern, was zu einer Phasenverschiebung und direkt zu einer Strahlausrichtungsabweichung in Systemen wie Phased Array und Radar führt, die eine extrem hohe Phasenkonsistenz erfordern.
Die Genauigkeitstoleranz der Impedanzanpassung ist äußerst eng
Die branchenübliche Impedanz von 50 Ω ist der „Leistungsvertrag“ von HF-Systemen, und selbst kleine Impedanzabweichungen können zu schwerwiegenden Signalreflexionen führen.
Nehmen wir als Beispiel die 50-Ω-Mikrostreifenleitung der FR4-Platine: Bei jeder Änderung der Leitungsbreite um ± 10 μm weicht die Impedanz um ± 2 Ω ab, was direkt zu einer Verschlechterung der Rückflussdämpfung führt.
Wenn die Impedanzabweichung ± 10 % übersteigt, sinkt die Rückflussdämpfung auf unter 26 dB und der Anteil der reflektierten Leistung steigt auf 0,23 %, wodurch direkt das Verbindungsbudget verbraucht wird, was zu einer Verschlechterung der Rauschzahl auf der Empfangsseite führt und der Verstärker diese Verluste nicht kompensieren kann.
Der Verlust unter der Haut ist äußerst größenabhängig
Sobald die Frequenz 1 GHz überschreitet, fließt der Signalstrom nicht mehr gleichmäßig durch den Leiterquerschnitt, sondern konzentriert sich in einer dünnen Schicht auf der Mikrometerebene der Leiteroberfläche.
Die Eindringtiefe des 2,4-GHz-Signals im Kupferleiter beträgt nur 1,3 μm, und bei 77 GHz beträgt die Eindringtiefe weniger als 0,4 μm. Kleine Änderungen in der Abweichung der Linienbreite, der Rauheit der Kupferfolie und Korrosion auf der Ätzseite können die tatsächliche Strompfadlänge des Leiters erheblich verlängern, was zu zusätzlichen Hochfrequenz-Einfügedämpfungen führt.
In Millimeterwellenszenarien wirkt sich eine Verlustdifferenz von 0,07 dB/cm direkt auf den Erfassungsbereich des Radars aus, was erfordert, dass die Kantenrauheit der Übertragungsleitung innerhalb von 0,5 μm kontrolliert wird, was durch gewöhnliche PCB-Prozesse nicht erreicht werden kann.
Präzise Kontrolle von Übersprechen und elektromagnetischer Strahlung
Die Stärke der elektromagnetischen Feldkopplung zwischen benachbarten Leitungen bei hohen Frequenzen steht in direktem Zusammenhang mit dem Verhältnis des Leitungsabstands zum Erdrückweg. Selbst kleine Abstandsabweichungen können dazu führen, dass das Übersprechen die Designerwartungen übersteigt.
Die in der HF-Industrie häufig verwendete „3W-Regel“ verlangt, dass der Leitungsabstand mindestens das Dreifache der Leitungsbreite beträgt. Nur durch die Komprimierung der Linienabstandstoleranz auf ± 0,5 mil können die Simulationsergebnisse vollständig mit der tatsächlichen Leistung übereinstimmen und Signalübersprechen zwischen benachbarten Kanälen vermieden werden.
Kleinere geometrische Fehler wie scharfe 90-Grad-Ecken und Kantenverzahnungen in der Verkabelung können dazu führen, dass kleine Antennen mit hohen Frequenzen Energie nach außen abstrahlen, was zu Signallecks und zusätzlichen elektromagnetischen Störungen führt, die durch hochpräzise Ätzprozesse vollständig vermieden werden müssen.