Detener la pérdida de señal en PCBs de alta frecuencia: estrategias de diseño y materiales que funcionan

En electrónica de alta frecuencia, donde las señales viajan a 10 GHz y más allá, incluso una pérdida de 1 dB puede perjudicar el rendimiento. Una estación base 5G podría perder conexiones, un sistema de radar podría perder objetivos o un transceptor satelital podría no transmitir datos. La pérdida de señal aquí no es solo una molestia; es un punto de falla crítico. ¿La buena noticia? Con los materiales y las opciones de diseño correctos, puede reducir la pérdida de señal hasta en un 60%, asegurando que su PCB de alta frecuencia funcione como se espera. Aquí le mostramos cómo hacerlo.

Por qué ocurre la pérdida de señal en las PCB de alta frecuencia

La pérdida de señal (a menudo llamada pérdida de inserción) en las PCB de alta frecuencia proviene de tres culpables principales. Comprenderlos es el primer paso para solucionar el problema:

  a.Pérdida dieléctrica: energía desperdiciada como calor en el sustrato de la PCB, causada por la constante dieléctrica (Dk) y la tangente de pérdida (Df) del material. Df más alto = más pérdida, especialmente por encima de 28 GHz.
  b.Pérdida del conductor: resistencia en las trazas de cobre, empeorada por el efecto piel (señales de alta frecuencia que viajan en las superficies de las trazas) y la rugosidad de la superficie.
  c.Pérdida por radiación: señales que se "filtran" de las trazas debido a un enrutamiento deficiente, una conexión a tierra inadecuada o una longitud de traza excesiva.

Elección de materiales: la base del rendimiento de baja pérdida
Su sustrato de PCB es la primera línea de defensa contra la pérdida de señal. Así es como se comparan los mejores materiales a 60 GHz (una frecuencia común de mmWave para 5G y radar):

Conclusión clave: los materiales PTFE y Rogers reducen la pérdida total en un 65–73% en comparación con FR-4 a 60 GHz. Para la mayoría de los diseños de alta frecuencia, Rogers RO4830 equilibra el rendimiento y el costo.

Estrategias de diseño para minimizar la pérdida de señal
Incluso los mejores materiales no pueden superar un diseño deficiente. Utilice estas técnicas para complementar la elección de su sustrato:

1. Acortar las longitudes de las trazas
Las señales de alta frecuencia se degradan rápidamente con la distancia. Por cada 1 pulgada de traza a 60 GHz:

  a.FR-4 pierde ~11 dB (casi el 90% de la intensidad de la señal).
  b.PTFE pierde ~3 dB (50% de la intensidad).

Solución: enrute las trazas directamente, evitando curvas innecesarias. Utilice patrones de "dogbone" para las conexiones de los componentes para minimizar la longitud sin sacrificar la soldabilidad.

2. Controlar la impedancia rigurosamente
Las desajustes de impedancia (cuando la impedancia de la traza se desvía del objetivo, por ejemplo, 50 ohmios) causan pérdida por reflexión: las señales rebotan en lugar de llegar a su destino.

Cómo solucionar:
  Utilice herramientas de simulación (por ejemplo, Ansys SIwave) para calcular el ancho/espaciado de la traza para su material (por ejemplo, las trazas de 50 ohmios en Rogers RO4830 necesitan un ancho de ~7 mil y un espaciado de 6 mil).
  Agregue cupones de prueba de impedancia a su panel de PCB para verificar la consistencia después de la producción.

3. Optimizar los planos de tierra
Un plano de tierra sólido actúa como un "espejo" para las señales, reduciendo la pérdida por radiación y estabilizando la impedancia.

Mejores prácticas:
  a.Utilice un plano de tierra continuo directamente debajo de las trazas de señal (sin divisiones ni huecos).
  b.Para PCB multicapa, coloque planos de tierra adyacentes a las capas de señal (separados por ≤0.02 pulgadas para altas frecuencias).

4. Reducir las vías y los muñones
Las vías (orificios que conectan capas) crean discontinuidades de impedancia, especialmente si son:

  a.Demasiado grandes (diámetro >10 mil para diseños de 50 ohmios).
  b.Sin revestimiento o con revestimiento deficiente.
  c.Acompañadas de "muñones" (longitud de vía no utilizada más allá del punto de conexión).

Solución: utilice microvías (6–8 mil) con "back drilling" para eliminar los muñones, reduciendo la pérdida relacionada con las vías en un 40%.

5. Suavizar las trazas de cobre
Las superficies de cobre rugosas aumentan la pérdida del conductor hasta en un 30% a 60 GHz (debido al efecto piel que amplifica la resistencia).

 a.Solución: especifique cobre de "perfil bajo" (rugosidad de la superficie <0.5 μm) en lugar de cobre estándar (1.5–2.0 μm). Rogers e Isola ofrecen sustratos con cobre de perfil bajo pre-laminado para este propósito.

Resultados del mundo real: un estudio de caso de 5G
Un fabricante de telecomunicaciones cambió de FR-4 a Rogers RO4830 para sus módulos 5G de 28 GHz e implementó las estrategias de diseño anteriores. ¿El resultado?

  a.La pérdida de señal se redujo de 8 dB a 3.2 dB en 4 pulgadas de traza.
  b.La fiabilidad de la conexión mejoró en un 45% en las pruebas de campo.
  c.La generación de calor (por pérdida dieléctrica) disminuyó en un 28%, lo que prolongó la vida útil de los componentes.

Conclusión
Detener la pérdida de señal en las PCB de alta frecuencia exige un enfoque de dos vertientes: elegir materiales de bajo Df (como Rogers o PTFE) y combinarlos con controles de diseño estrictos (trazas cortas, adaptación de impedancia, conexiones a tierra sólidas). Para los sistemas 5G, radar o satélite, esta combinación no es opcional, es la diferencia entre un producto que funciona y uno que falla.

Al priorizar tanto el rendimiento del material como la disciplina de diseño, se asegurará de que su PCB de alta frecuencia ofrezca la velocidad, el alcance y la fiabilidad que su aplicación exige.