Quali substrati PCB sono comunemente utilizzati nella progettazione delle antenne?

Nella progettazione delle antenne vengono comunemente utilizzati diversi tipi di substrati PCB, ciascuno con diverse proprietà dielettriche, processi di fabbricazione e idoneità applicativa:

FR-4

FR-4 è un substrato economico che offre una buona resistenza meccanica e buone prestazioni di isolamento, con una costante dielettrica (Dk) tipica compresa tra 4.0 e 4.5. È ampiamente utilizzato per le antenne di dispositivi di comunicazione wireless generici, come le antenne Bluetooth e Wi-Fi a corto raggio. FR-4 è particolarmente adatto per applicazioni in cui i costi sono sensibili e i requisiti prestazionali sono moderati.

Rogers

I materiali Rogers presentano costanti dielettriche più basse e bassi fattori di dissipazione, che contribuiscono a ridurre la perdita di trasmissione del segnale. Diverse serie Rogers offrono costanti dielettriche da circa 2.2 a 10, soddisfacendo diverse esigenze progettuali. Sono comunemente utilizzati nella progettazione di antenne ad alta frequenza, come antenne a onde millimetriche, antenne per comunicazioni satellitari e altri sistemi wireless che richiedono un'elevata qualità del segnale. I modelli tipici includono Rogers 5880, Rogers 3003, Rogers 4350B e la serie Rogers 5880LZ a basso Dk.

Taconico

I substrati taconici presentano inoltre basse costanti dielettriche che contribuiscono a ridurre il ritardo e la distorsione del segnale, rendendoli adatti ad applicazioni ad alta frequenza. Le costanti dielettriche dei diversi modelli variano, solitamente tra 2 e 5, rendendoli ideali per onde millimetriche e altri scenari ad alta frequenza. Tra i modelli più noti figura il TLY-5, realizzato in tessuto di vetro intrecciato estremamente leggero, che offre vantaggi come stabilità dimensionale, basso fattore di dissipazione, basso assorbimento di umidità, elevata resistenza al distacco del rame e costante dielettrica costante. Il TLY-5 è spesso utilizzato nei radar automobilistici, nelle comunicazioni satellitari/cellulari, negli amplificatori di potenza, negli LNB, negli LNA, negli LNC e in bande di frequenza come Ka, E e W. Il RF-35 è un altro modello popolare per vari progetti ad alta frequenza.

Substrati in PTFE (politetrafluoroetilene)

I materiali in PTFE hanno costanti dielettriche stabili, tipicamente comprese tra 2.0 e 3.0, con perdite estremamente basse, il che li rende adatti alla trasmissione di segnali ad alta frequenza. Il PTFE è comunemente utilizzato nella progettazione di antenne ad alta precisione e ad alte prestazioni, come antenne radar, antenne aerospaziali e altri circuiti RF ad alta frequenza.

Substrati riempiti di ceramica

Questi substrati regolano la costante dielettrica variando il rapporto di riempimento ceramico. Hanno una maggiore resistenza meccanica e termica e possono contribuire a ridurre i costi mantenendo buone prestazioni RF. I substrati riempiti con ceramica sono ampiamente utilizzati nella progettazione di antenne a media e alta frequenza, come le antenne per comunicazioni 5G, e sono adatti per antenne miniaturizzate che richiedono il rispetto di specifici obiettivi di dimensioni e prestazioni.

Substrati Wangling

Wangling è un marchio nazionale (cinese) che offre laminati in fibra di vetro PTFE rivestiti in rame, come le serie F4BM e F4BME, nonché laminati in fibra di vetro PTFE rivestiti in rame e caricati con ceramica, come F4BTM e F4BTME. Le loro serie di substrati dielettrici compositi (TP, TF) offrono costanti dielettriche controllabili tra 3.0 e 25, con basse perdite di dissipazione e bassa deriva termica. Una considerazione: quando i produttori di PCB utilizzano i materiali Wangling per la prima volta, potrebbero sorgere alcuni problemi di processo dovuti alla scarsa familiarità.

Note importanti per la simulazione e la progettazione:

lLo spessore della scheda dovrebbe essere generalmente un multiplo di circa 0.254 mm. Evitare di impostare spessori personalizzati come 0.4 mm, poiché le scorte di PCB corrispondenti potrebbero non essere disponibili per la produzione e la convalida.

lPer tavole più spesse di 1.5 mm, prendere in considerazione l'utilizzo di materiali Wangling nazionali.

lDurante la progettazione di schede multistrato, è importante prestare molta attenzione al coefficiente di dilatazione termica (CTE) del substrato sull'asse Z (misurato in ppm/°C). In genere, i substrati con costanti dielettriche inferiori presentano un CTE sull'asse Z più elevato, il che potrebbe causare problemi durante la produzione se combinati con altri materiali. Per i progetti multistrato, è preferibile utilizzare substrati con Dk più elevato e CTE più basso per ridurre il tasso di difettosità.

Tipi di lamina di rame: laminata vs. elettrolitica

Alle frequenze millimetriche, la rugosità superficiale della lamina di rame influisce significativamente sulle perdite dei conduttori delle linee di trasmissione. In base al processo di produzione e alle prestazioni, la lamina di rame per PCB si divide principalmente in due tipologie: lamina di rame laminato e ricotto (RA) e lamina di rame elettrolitico (ED).

Lamina di rame ricotto laminato (RA)

Prodotto mediante laminazione e compressione continua di lingotti di rame puro, il foglio RA presenta una superficie molto liscia e una rugosità estremamente bassa, che offre un'eccellente conduttività. È particolarmente adatto alla trasmissione di segnali ad alta frequenza. Tuttavia, il foglio RA tende ad essere più costoso e presenta alcune limitazioni di spessore.

Lamina di rame elettrolitica (ED)

Il foglio di rame per elettrodeposizione elettrochimica (ED) viene prodotto tramite galvanoplastica, ottenendo due lati: uno liscio e uno ruvido. Il lato ruvido aiuta a far aderire il foglio al substrato, mentre il lato liscio viene utilizzato per la placcatura o l'incisione. Il foglio di rame per elettrodeposizione elettrochimica è più economico e copre una gamma più ampia di spessori. Tuttavia, la sua maggiore rugosità superficiale comporta maggiori perdite nel conduttore, rendendolo meno adatto alle applicazioni ad alta frequenza.

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