PCB-Einfügedämpfung

Was ist die Einfügedämpfung von Leiterplatten?

Bestückte Leiterplatte

"Einfügedämpfung" bezeichnet allgemein die Verringerung der Signalintensität, die auftritt, wenn das Signal die Komponenten und die Verkabelung auf Systemebene sowie die Leiterbahnen auf Leiterplatten (PCBs) innerhalb von Systemen durchläuft, die mit hohen Geschwindigkeiten von 3 GHz oder mehr arbeiten, einschließlich optischer Fasern und PCB-Stapel. 

Die Einfügungsdämpfung, die oft als Synonym für "Dämpfung" verwendet wird, quantifiziert die Schwächung eines Signals bei der Übertragung durch eine optische Verbindung oder eine Übertragungsleitung. Dieser Wert wird im Allgemeinen in Dezibel (dB) angegeben.

Die Bedeutung der Einfügedämpfung in Leiterplatten

Einfügungsdämpfung ist besonders bei hohen Frequenzen von Bedeutung, wo sie zu Signaldämpfung und -verzerrung führt. Das Signal wird durch den Leiterwiderstand und Leckagen im Laminatmaterial gedämpft, während Impulsverzerrungen auftreten, wenn die Verluste die Signaloberschwingungen ungleichmäßig beeinflussen. 

Da der Verlust von der Frequenz abhängt, werden höhere Oberschwingungen stärker abgeschwächt. Der Nettoeffekt ist, dass das an der Last ankommende Signal eine verzerrte Version des ursprünglichen Signals ist, wobei sich sowohl die Amplitude als auch die Form ändert.

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Katalysatoren der Einfügedämpfung in PCBs

Für diejenigen, die sich nicht mit HF-Systemen auskennen, kann das Konzept der Welle etwas abstrakt erscheinen. Seine Designprinzipien erweitern jedoch die Prinzipien, die bei PCB-Designs für niedrigere Frequenzen verwendet werden. Die Einfügungsdämpfung von Leiterplatten ist in erster Linie das Ergebnis von Impedanzschwankungen entlang einer Verbindung. Das Maß der Einfügungsdämpfung quantifiziert den Grad der Signalverschlechterung an Punkten der Impedanzdiskontinuität.

  • Kupferverluste: Kupferverluste sind auf die Verlustleistung zurückzuführen, die durch die Leitung entlang der Oberfläche von Steckverbindern entsteht. Dies ist in der Regel ein Problem mit der Qualität der Beschichtung und der Materialauswahl der Leiterplatte.
  • Dielektrische Verluste: Dielektrische Verluste sind auf die Verlustleistung innerhalb der dielektrischen Materialien der Leiterplatte zurückzuführen.
  • Reflektionsverluste: Reflexionsverluste entstehen aufgrund des Stehwellenverhältnisses (VSWR) des Steckers entlang der Übertragungsleitungen. Sie treten auf, wenn die Last die Leistung nicht absorbieren kann, was zu einer Reflexion der Energie zurück in die Leitung führt.

Bei Leiterplatten im unteren Frequenzbereich von 3 GHz bis 5 GHz ist die Impedanzfehlanpassung die Hauptursache für Signalverluste. Bei höheren Frequenzen von 10 GHz bis 30 GHz und darüber hinaus wird die Dielektrizitätskonstante, die durch die verwendeten Materialien bestimmt wird, zum Hauptverursacher von Einfügeverlusten. Daher ist die Auswahl der Kernmaterialien, des Prepregs und der Kupferfolie bei der Konstruktion des Leiterplattenaufbaus entscheidend.

In Wellensystemen verursachen Durchkontaktierungen oft die meisten Störungen, da sie Impedanzdiskontinuitäten in impedanzkontrollierte Verbindungen einführen können. Für Lagenübergänge in mehrlagigen Leiterplattendesigns werden verschiedene Arten von Durchkontaktierungen verwendet - Blind-, Buried- oder Through-Hole-Leiterplatten. Sie alle bringen parasitäre Elemente mit sich, die bei höheren Frequenzen eine Einfügedämpfung verursachen.

Bei der Untersuchung einer Zeitbereichsreflektometriekurve einer Wellenverbindung aus einem Testcoupon kann manchmal ein kapazitiver Impedanzabfall an durchkontaktierten Durchgangslöchern für Schichtübergänge festgestellt werden. Diese Impedanzabfälle sind aus zwei Gründen problematisch. Erstens verursachen sie Reflexionen, die zu stehenden Wellen und starker EMI-Abstrahlung führen können. Zweitens verringern sie den Signalpegel, der die Endlast erreichen kann, d. h. sie verursachen Einfügungsdämpfung.

Optimierung der Einfügedämpfung in PCBs

Die Einfügedämpfung ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung einer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte, die für Ihre speziellen Anforderungen geeignet ist. Das Erkennen der Ursachen für den Signalverlust ermöglicht eine genaue Auswahl der Materialien für den Stapelaufbau und beeinflusst die Dichtigkeit des Glasgewebes, die Harzdichte und die Leiterplattendicke. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie bei der Planung Ihres Leiterplattenaufbaus Folgendes berücksichtigen sollten:

  • Wählen Sie Kupferoptionen mit niedrigem Profil, wie z. B. ED-Kupfer mit sehr niedrigem Profil oder alternative Oxide, um den Skin-Effekt und die Oberflächenrauhigkeit zu minimieren.
  • Entscheiden Sie sich für ein engeres Glasfasergeflecht, um die Dielektrizitätskonstante zu verbessern, oder winkeln Sie die Kupferleitungen über ein lockereres Geflecht an, um die Signalintegrität zu erhalten.
  • Entscheiden Sie sich für Materialien, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen und durch flache Frequenzgänge ein breites Spektrum an Signalen problemlos verarbeiten.
  • Verwenden Sie die Materialien mit dem geringsten Verlust an dielektrischen Eigenschaften und begrenzen Sie die Reichweite, um die Verlustfaktoren zu begrenzen.

Unterschiedliche Überlegungen: Einfügedämpfung vs. Rückflussdämpfung des Steckers

Steckverbinder sind nur eines der vielen Elemente in einer Übertragungsstrecke eines Mehrplattensystems, die zwischen Sender und Empfänger liegt. In Diskussionen über Verbindungen werden Durchkontaktierungen oft als induktive Impedanzstörer hervorgehoben. Bei hohen Frequenzen ähneln sie Induktoren und können bei falscher Auslegung Reflexionen verursachen. Steckverbinder verhalten sich jedoch ähnlich und wirken wie Miniaturübertragungsleitungen mit eigener Impedanz, die die Signalinteraktion beeinflussen können.

Trotz des Wunsches nach makellosen Steckverbindern ist es in der Realität so, dass sie Rückfluss- und Einfügedämpfungen verursachen. Dieser Verlust resultiert aus einer Impedanzfehlanpassung, die hauptsächlich von oberflächenmontierten Pads auf Steckern herrührt. Steckverbinder mit Durchgangsbohrungen tragen ebenfalls zur Einfügungsdämpfung bei, da die Stifte induktive und kapazitive Impedanzunterschiede verursachen.

SMD-Steckverbinderpads erhöhen oft die Kapazität pro Länge, wenn sie von breiterem Kupfer begleitet werden, was folglich die charakteristische Impedanz der Leiterbahn am Steckverbinderpad verringert. Dieser kapazitive Impedanzunterschied führt zu Signalreflexionen, die in einer Rückflussdämpfung und Einfügedämpfung des Steckverbinders gipfeln.

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