La mayoría de las opciones de materiales para antenas se basan en un equilibrio entre pérdidas, costo y procesabilidad.
Pero hay una clase de diseños donde el punto de equilibrio no son las pérdidas. Es la PIM.
La intermodulación pasiva es uno de los problemas más difíciles de tratar en las antenas de estaciones base y los sistemas de comunicación por satélite. A diferencia de la pérdida de inserción, no se puede calcular en un presupuesto de enlace. A diferencia de la pérdida de retorno, no se puede ver durante la sintonización. Es una nueva frecuencia interferente generada por no linealidades en materiales o puntos de contacto cuando las señales de alta potencia pasan a través de componentes pasivos. Si esas frecuencias caen dentro de una banda de recepción, la sensibilidad de la estación base disminuye, y a menudo no se dará cuenta en la etapa de diseño.
Recientemente construimos una placa de 2 capas F4BTME350 con un grosor terminado de solo 0,3 mm. Sirve exactamente para este tipo de aplicación: sensible a PIM y con restricciones de altura. Pero este artículo no trata solo de lo bien que se construyó la placa. Se trata de cuándo es necesario el F4BTME350 y cuándo es excesivo.
La placa en sí
El material base es F4BTME350, una PCB rígida de 2 capas. Las dimensiones son 89,77 mm x 45,16 mm, con una tolerancia de ±0,15 mm. El rastro y espacio mínimos son de 6/8 mils, y el tamaño mínimo del agujero es de 0,25 mm. Sin vías ciegas.
El grosor terminado es de 0,3 mm, con cobre de 1 oz (35 µm) en las capas exteriores y un recubrimiento de vía de 20 µm. El acabado superficial es oro de inmersión. La serigrafía superior es blanca, sin serigrafía inferior. La máscara de soldadura superior es negra, sin máscara de soldadura inferior. Cada placa se prueba eléctricamente al 100% antes del envío, construida según IPC-Clase-2, con arte suministrado en Gerber RS-274-X.
Las estadísticas: 12 componentes, 38 almohadillas totales, 9 vías, 2 redes. No muchas almohadillas, pero cada una tiene un trabajo claro. Este es un diseño pequeño y enfocado, no una placa de propósito general.
La pila es de cobre de 35 µm, un núcleo F4BTME350 de 0,254 mm (10 mil) y cobre de 35 µm. Con 0,3 mm terminados, la placa tiene aproximadamente una quinta parte del grosor de una placa estándar de FR-4 de 1,6 mm. El núcleo es de solo 10 mil, por lo que la placa es notablemente flexible, y la deformación y los daños por manipulación requieren un control cuidadoso durante el procesamiento.
El valor real del F4BTME350: PIM
El F4BTME350 tiene una constante dieléctrica de 3,5 y un factor de disipación de 0,0025 a 10 GHz. Esos números no son extremos por sí solos: la Dk es ligeramente inferior a la del FR-4, y la Df es mejor que la del FR-4 estándar, pero no tan baja como la del PTFE puro.
Lo que hace que sea difícil de reemplazar en aplicaciones de antenas de estaciones base y comunicaciones por satélite es su rendimiento PIM: ≤ -160 dBc.
Ese número necesita contexto. A 1900 MHz, una antena bien diseñada generalmente apunta a una PIM entre -150 y -155 dBc. A -160 dBc, la contribución de PIM del propio material se reduce a un nivel que es efectivamente insignificante.
La clave para lograr esto es el papel de cobre. El F4BTME350 utiliza papel de cobre con tratamiento inverso (RTF) en lugar de cobre electrodepositado estándar. El papel RTF tiene una menor rugosidad superficial, y las superficies de cobre rugosas son una fuente significativa de PIM. La serie F4BTM utiliza cobre ED y se adapta a aplicaciones sin requisitos de PIM; la serie F4BTME cambia a papel RTF específicamente para minimizar la no linealidad en diseños sensibles a PIM.
En otras palabras, la prima que se paga por el F4BTME350 compra PIM, no Dk o Df
.
La realidad del procesamiento de un núcleo de 0,254 mm
Un núcleo de 10 mil está en el lado delgado para la familia F4BTME. A este grosor, la rigidez mecánica de la placa proviene principalmente de las capas de cobre y la posterior máscara de soldadura y acabado superficial. El núcleo en sí proporciona un soporte estructural limitado.
El desafío de la perforación es el tamaño mínimo del agujero de 0,25 mm. En un grosor terminado de 0,3 mm, esto es aproximadamente una relación de aspecto de 1,2:1, no extrema, pero en una placa delgada, el soporte y la evacuación de virutas durante la perforación requieren atención. Las 9 vías son pasantes, y el recubrimiento de 20 µm debe ser uniforme en las paredes del agujero en condiciones de placa delgada.
El acabado superficial es oro de inmersión. Para placas de RF, esta es una opción segura: sin problemas de pérdida de capa de níquel como ENIG, buena planitud, soldadura fiable. Combinado con el cobre RTF de baja rugosidad del F4BTME350, el oro de inmersión ayuda a mantener bajas las pérdidas del conductor.
La placa tiene máscara de soldadura negra solo en la parte superior, sin máscara en la parte inferior. Esto es común en las placas de antena: la máscara de soldadura tiene propiedades dieléctricas que pueden afectar la impedancia del rastro de RF, y eliminarla en la parte inferior elimina esa variable mientras expone el cobre para la disipación de calor o el contacto de tierra. La máscara superior negra con serigrafía blanca proporciona suficiente contraste para el ensamblaje y la inspección. Sin serigrafía inferior, porque la parte inferior suele ser un plano de tierra o una superficie de montaje donde las marcas no sirven para nada.
Cuándo es necesario el F4BTME350Cuando la PIM es el factor limitante a nivel de sistema.
La sensibilidad de recepción de la estación base se ve directamente afectada por la PIM. Si un material de -150 dBc aumentara el piso de ruido lo suficiente como para degradar el rendimiento de recepción, entonces -160 dBc no es "mejor", es requerido.Cuando la altura está muy restringida.
Un grosor terminado de 0,3 mm se adapta a arreglos de antenas altamente integrados o frontales de RF compactos. Una placa delgada reduce la altura total de la pila manteniendo el rendimiento eléctrico.Cuando la frecuencia y la potencia son altas.
Comunicaciones por satélite, antenas de phased array, amplificadores de alta potencia: estas aplicaciones son sensibles tanto a la estabilidad térmica como a la no linealidad, y el CTE del F4BTME350 (10 ppm/°C en X, 12 ppm/°C en Y) y el bajo coeficiente térmico de Dk tienen un valor real en esas condiciones.
Cuándo no usarlo
Esta es la parte que la mayoría de los artículos sobre materiales omiten, y es la parte más útil para los lectores.Si su diseño opera por debajo de 1 GHz.
A bajas frecuencias, la PIM generalmente no es un cuello de botella a nivel de sistema. La especificación de -160 dBc del F4BTME350 es excesiva. La serie F4BTM con cobre ED puede ser completamente suficiente a un costo menor.Si la PIM no es una preocupación a nivel de sistema.
No todas las placas de RF manejan alta potencia. Amplificadores de bajo ruido, cadenas de recepción de señal pequeña, placas de prueba de laboratorio: en estos, la PIM no será el factor limitante, y pagar una prima por ella no tiene sentido.Si no necesita 0,3 mm.
Las placas delgadas son más difíciles de procesar, con un control de rendimiento más complejo. Si la altura del módulo lo permite, una placa F4BTME de grosor estándar es más fácil de procesar, más rentable y mecánicamente más fiable. Delgado no es una ventaja en sí mismo, solo se convierte en una cuando la altura está restringida.Si el costo es la primera restricción.
El cobre RTF del F4BTME350 y su formulación de baja PIM lo convierten en un material premium. En aplicaciones sensibles al costo donde los requisitos de PIM son modestos, el FR-4 estándar o la serie F4BTM es la opción de ingeniería más razonable.
En resumenEl F4BTME350 no es un material de antena de propósito general. Es una solución dirigida:
gana su prima cuando la PIM es el factor limitante en su presupuesto de enlace, y cuando la altura debe comprimirse al nivel de 0,3 mm
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