Tytułowe sygnały to fale EHF (Extremely High Frequency), o częstotliwości w przedziale od 30 do 300 GHz i długości od 1 do 10 mm. Zakres ten jest bardzo szeroki i wciąż używany jedynie w ułamku swojej rozpiętości. Zaletą transmisji w tym pasmie jest duża przepustowość. Oprócz tego wykorzystuje się w niej małe kierunkowe anteny – przykładowo dipol półfalowy dla częstotliwości 900 MHz ma długość 15 centymetrów, a dla 60 GHz – tylko 2,5 milimetra. Małe rozmiary układów nadawczo-odbiorczych są zaletą w urządzeniach mobilnych.

Materiały i konstrukcje PCB

Ograniczeniem fal milimetrowych jest natomiast krótki zasięg i ich tłumienie przez wodę (deszcz, mgłę, przy dużej wilgotności) i w atmosferze, które jeszcze skraca odległość transmisji. Absorpcja promieniowania w tej ostatniej jest silna szczególnie na częstotliwości 60 GHz. Krótki zasięg oraz tłumienie sygnału można jednak potraktować jako zaletę, dzięki niej bowiem urządzenia pracujące w sąsiedztwie nie będę się wzajemnie zakłócać. Aby móc skorzystać w praktyce z wyróżniających je cech, kluczowa jest świadomość wpływu, jaki na fale milimetrowe mają materiały i konstrukcja PCB. Pozwala to dobrać jej materiał oraz parametry konstrukcyjne o najkorzystniejszym zestawie charakterystyk.

Ważnym aspektem jest również wybór typu linii transmisyjnej. Punktem wyjścia dla projektantów są zazwyczaj konstrukcje sprawdzające się w pasmie mikrofal, czyli: linie paskowe, mikropaskowe, SIW (Substrate Integrated Waveguide) i GCPW (Grounded Co- Planar Waveguide). W przypadku fal milimetrowych mają one jednak ograniczenia – przykładowo w liniach mikropaskowych, będących najpopularniejszym rodzajem linii transmisyjnych w obwodach mikrofalowych, wyróżniającym się łatwością wykonania w ramach standardowych procesów produkcji płytek drukowanych, występują duże straty promieniowania.

Ograniczenia linii mikropaskowych

Powodem problemów w wyższych częstotliwościach jest otwarta struktura linii mikropaskowych, będąca poza tym ich zaletą, ze względu na to, że fizyczny dostęp do nich jest łatwy. Trzeba jednak pamiętać, że w tego rodzaju liniach transmisyjnych fale elektromagnetyczne propagują nie tylko w ścieżkach i podłożu dielektryka, ale również częściowo rozchodzą się w otaczającym je ośrodku – w powietrzu. W rezultacie na wypadkową stałą dielektryczną wpływ ma mała stała dielektryczna powietrza, co trzeba uwzględnić, modelując PCB.

Ponieważ część energii jest promieniowana na zewnątrz, obwody mikropaskowe mają cechy anteny. Skutkuje to niepożądanymi stratami energii, które zwiększają się wraz ze wzrostem częstotliwości, stanowiąc wyzwanie dla projektantów PCB w zakresie fal milimetrowych. Można je ograniczyć używając laminatów o większej wartości stałej dielektrycznej, lecz odbywa się to kosztem większego (w stosunku do tego w powietrzu) tłumienia propagacji fali elektromagnetycznej i powoduje przesunięcie fazowe sygnału. Generalnie bowiem w zakresie fal milimetrowych używa się materiałów o jak najniższej wartości stałej dielektrycznej.

Straty promieniowania można również zmniejszyć, wytwarzając linie mikropaskowe na cieńszych laminatach, lecz te są z kolei wrażliwsze niż grubsze na skutki chropowatości powierzchni miedzi. Trzeba poza tym zaznaczyć, że linie mikropaskowe mają wysokie wymagania w zakresie tolerancji wykonania ścieżek oraz laminatu, rosnące wraz z częstotliwością, są zatem wrażliwe na zmiany w procesie produkcyjnym.

SIW i GCPW na falach milimetrowych

W liniach paskowych, które można traktować w uproszczeniu jak spłaszczony kabel koncentryczny z przewodnikiem otoczonym dielektrykiem i płaszczyznami masy, z kolei fala elektromagnetyczna rozchodzi się w PCB. Dzięki temu można je modelować zgodnie z charakterystyką materiałów obwodów, bez konieczności uwzględniania skutków propagacji w powietrzu. Ten rodzaj linii transmisyjnej nie jest jednak często używany w zakresie fal milimetrowych ze względu na trudności z podłączeniem złączy.

Falowody SIW na zakres fal milimetrowych są trudne w realizacji, ponieważ wymagają materiałów o minimalnych odchyleniach stałej dielektrycznej i precyzji wykonania otworów o małej tolerancji średnic. Również falowody GCPW są w tym pasmie częstotliwości wrażliwe na niedoskonałości materiałów (głównie stałą dielektryczną) oraz wykonania PCB – przykładowo odchyłki kształtu i grubości ścieżek mogą zmieniać fazę sygnału.

 

Rys. 1. Różne typy linii transmisyjnych

Wymagania stawiane stałej dielektrycznej

W pasmie fal milimetrowych niektóre parametry materiałów płytki drukowanej szczególnie zyskują na znaczeniu. Poza stałą dielektryczną i współczynnikiem stratności (tanδ), są to: grubość materiału dielektrycznego, stopień absorpcji wilgoci i współczynnik termiczny stałej dielektrycznej. W zakresie fal milimetrowych krytyczne znaczenie ma nawet chropowatość powierzchni miedzi.

Jeżeli chodzi o stałą dielektryczną, preferowane są materiały o niższych wartościach tej wielkości, przeważenie od 2 do 4 lub średnio około 3. Wynika to stąd, że przy wyższych częstotliwościach trudno jest również zapewnić wymaganą impedancję linii transmisyjnej, równocześnie zachowując jej możliwe do wykonania rozmiary. Jest to łatwiejsze, im mniejszą wartość ma stała dielektryczna, generalnie bowiem im jest większa, tym węższe muszą być ścieżki o danej impedancji przy danej częstotliwości. Przykładowo w przypadku linii mikropasowej o impedancji 50 Ω wykonanej na laminacie o grubości 5 milsów (0,127 mm), jeśli stała dielektryczna wybranego podłoża będzie wynosiła 2,2, wymagana szerokość ścieżek wyniesie prawie 15 milsów (0,381 mm). Jeżeli jednak zdecydujemy się na laminat o większej wartości tego parametru – przykładowo 4,5 – szerokość linii mikropaskowej wyniesie niecałe 9 milsów (0,229 mm). Warto tu zaznaczyć, że w zakresie fal milimetrowych nawet ważniejsza, niż wartość stałej dielektrycznej, jest jej jednolitość – różnice w zakresie tego parametru w obrębie PCB powodują bowiem zmiany impedancji, zarówno linii mikropaskowych, paskowych, jak i falowodów GCPW.

Zależność od temperatury

Zmienność stałej dielektrycznej materiałów PCB też jest w zakresie fal milimetrowych problemem, ponieważ, w tym przedziale częstotliwości, zmiany tej wielkości zmieniają fazy sygnałów, bardziej wraz ze zwiększaniem się częstotliwości. Jest to szczególnie niepożądane w przypadku systemów komunikacyjnych z modulacją fazową oraz innych, których działanie zależy od fazy sygnału. Stałość stałej dielektrycznej zależy od składu laminatu oraz jego odporności na różne warunki środowiskowe, jak temperatura i wilgotność. Pierwszą charakteryzuje współczynnik cieplny stałej dielektrycznej, a drugi stopień absorpcji wody.

W przypadku płytek drukowanych na zakres fal milimetrowych należy zwrócić uwagę zwłaszcza na skład laminatu, gdyż różne materiały mają różną wrażliwość na zmianę temperatury. Przykładowo FR4 i PTFE charakteryzuje wysoki współczynnik cieplny stałej dielektrycznej, a dodatkowo nie mają one wystarczająco jednolitej struktury wymaganej do utrzymania stałej impedancji przy częstotliwościach fal milimetrowych. Alternatywą są laminaty charakteryzujące się małym współczynnikiem termicznym stałej dielektrycznej, jak na przykład PTFE ze specjalnym rodzajem wypełniaczy ceramicznych, dzięki którym ich stała dielektryczna w szerokim zakresie temperatur praktycznie pozostaje niezmienna. Przykładem zastosowania o takich wymaganiach jest elektronika samochodowa.

Grubość ścieżek i laminatów

Idealnie, materiały obwodów do zastosowań na falach milimetrowych powinny charakteryzować się też małą absorpcją wilgoci. Im bowiem więcej wody pochłaniają, tym bardziej rośnie stała dielektryczna i większe są zmiany impedancji obwodu i kąta fazowego.

Aby zminimalizować straty przy tych wyższych częstotliwościach, w obwodach o fali milimetrowej należy stosować materiały PCB o najniższym możliwym współczynniku stratności. Jakość powierzchni miedzi również jest w tym zakresie częstotliwości ważna, ponieważ szorstkie wykończenie powoduje wyższe straty w przewodniku. Znaczenie ma też grubość warstwy przewodnika ze względu na to, że przy częstotliwościach fal milimetrowych nasila się efekt naskórkowości. Głębokość wnikania, czyli odległość od powierzchni ścieżki, na której natężenie pola elektrycznego maleje do około 37% swojej wartości maksymalnej, gwałtownie maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Przykładowo przy częstotliwości 100 MHz wynosi około 6,6 μm, przy 10 GHz około 0,66 μm, a przy 100 GHz już zaledwie 0,2 μm. To wyjaśnia też, dlaczego tak ważna jest jak najmniejsza chropowatość miedzi.

Preferowane są też cieńsze laminaty. Zasadniczo w zakresie fal milimetrowych zalecane są laminaty o grubości 10 milsów albo mniejszej (typowo do 2 milsów), ponieważ pozwalają uniknąć niepożądanych efektów propagacji i rezonansów. Wiążą się z tym oczywiście większe wymagania w zakresie tolerancji i powtarzalności procesów produkcji. Podsumowując, wybór materiałów oraz konstrukcji PCB do zastosowań z falami milimetrowymi wymaga kompromisu między projektem wykonalnym a niskimi stratami i zachowaniem integralności sygnałowej.

Monika Jaworowska