Perte d'insertion du circuit imprimé

Qu'est-ce que la perte d'insertion des circuits imprimés ?

Carte de circuit imprimé chargée

"Perte d'insertion désigne généralement la diminution de l'intensité du signal qui se produit lorsque le signal traverse les composants et le câblage au niveau du système, ainsi que les traces sur les cartes de circuits imprimés (PCB) dans les systèmes fonctionnant à des vitesses élevées de 3 GHz ou plus, y compris les fibres optiques et les empilements de PCB. 

Souvent synonyme d'"atténuation", la perte d'insertion quantifie l'affaiblissement d'un signal lorsqu'il est transmis par une liaison optique ou une ligne de transmission. Cette valeur est généralement représentée en décibels (dB).

L'importance de la perte d'insertion dans les circuits imprimés

La perte d'insertion est particulièrement importante aux hautes fréquences, où elle entraîne une atténuation et une distorsion du signal. Le signal subit une atténuation due à la résistance du conducteur et aux fuites dans le matériau stratifié, tandis que la distorsion des impulsions se produit lorsque la perte affecte les harmoniques du signal de manière inégale. 

Comme la perte dépend de la fréquence, les harmoniques plus élevées subissent une atténuation plus importante. L'effet net est que le signal arrivant à la charge est une version déformée de l'original, altérant à la fois l'amplitude et la forme.

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Catalyseurs de la perte d'insertion dans les circuits imprimés

Pour ceux qui découvrent les systèmes RF, le concept d'onde peut sembler quelque peu abstrait. Pourtant, ses principes de conception prolongent ceux employés dans les conceptions de circuits imprimés à basse fréquence. La perte d'insertion des circuits imprimés est principalement le résultat de la variation de l'impédance le long d'une interconnexion. La mesure de la perte d'insertion quantifie le degré de dégradation du signal aux points de discontinuité de l'impédance.

  • Pertes de cuivre : Les pertes de cuivre proviennent de la dissipation de puissance due à la conduction le long des surfaces des connecteurs. Il s'agit généralement d'un problème lié à la qualité du placage et au choix des matériaux dans le circuit imprimé.
  • Pertes diélectriques : Les pertes diélectriques sont dues à la dissipation de puissance dans les matériaux diélectriques du circuit imprimé.
  • Pertes réfléchies : Les pertes par réflexion sont dues au rapport tension-onde stationnaire (VSWR) du connecteur le long des lignes de transmission. Elles se produisent lorsque la charge ne parvient pas à absorber la puissance, ce qui entraîne une réflexion de l'énergie sur la ligne.

Pour les circuits imprimés dans le spectre des basses fréquences, de 3Ghz à 5Ghz, l'inadéquation de l'impédance est le principal responsable de la perte de signal. Toutefois, lorsque nous nous aventurons dans des fréquences beaucoup plus élevées, de 10 GHz à 30 GHz et au-delà, la constante diélectrique, déterminée par les matériaux utilisés, devient le principal problème à l'origine de la perte d'insertion. Par conséquent, la sélection des matériaux de base, des pré-imprégnés et des feuilles de cuivre est essentielle lors de la construction du circuit imprimé.

Dans les systèmes à ondes, ce sont souvent les vias qui créent le plus de perturbations, car ils peuvent introduire une discontinuité d'impédance dans les interconnexions à impédance contrôlée. Différents types de via - aveugles, enterrés ou traversants - sont utilisés pour les transitions de couches dans les conceptions de circuits imprimés multicouches. Ils sont tous accompagnés d'éléments parasites qui induisent une perte d'insertion à des fréquences plus élevées.

L'examen d'une trace de réflectométrie dans le domaine temporel d'une interconnexion Wave à partir d'un coupon de test peut parfois révéler une chute d'impédance capacitive au niveau des trous traversants plaqués pour les transitions de couches. Ces chutes d'impédance sont problématiques pour deux raisons. Tout d'abord, elles provoquent des réflexions qui peuvent entraîner des ondes stationnaires et de fortes interférences électromagnétiques rayonnées. Deuxièmement, elles réduisent le niveau du signal qui peut atteindre la charge finale, c'est-à-dire qu'elles provoquent une perte d'insertion.

Optimisation de la perte d'insertion dans les circuits imprimés

La prise en compte de la perte d'insertion est fondamentale lors de la conception d'un circuit imprimé à grande vitesse adapté à vos besoins spécifiques. Reconnaître les causes profondes de la perte de signal permet de sélectionner avec précision les matériaux pour l'empilage, en influençant l'étanchéité de la trame de verre, la densité de la résine et l'épaisseur de la carte de circuit imprimé. En résumé, tenez compte des éléments suivants lorsque vous planifiez l'empilage de vos circuits imprimés :

  • Choisissez des options de cuivre à profil bas, comme le cuivre ED à profil très bas ou l'oxyde alternatif, pour minimiser l'effet de peau et la rugosité de la surface.
  • Optez pour des tissages de fibre de verre plus serrés pour améliorer les constantes diélectriques, ou orientez les traces de cuivre sur des tissages plus lâches pour maintenir l'intégrité du signal.
  • Optez pour des matériaux qui présentent de faibles constantes diélectriques et traitent une large gamme de signaux en douceur grâce à des réponses en fréquence plates.
  • Utiliser les matériaux présentant la plus faible perte de propriétés diélectriques et limiter la portée pour limiter les facteurs de dissipation.

Considérations différentes : Perte d'insertion et perte de retour des connecteurs

Les connecteurs ne représentent qu'un des nombreux éléments de la ligne de transmission d'un système multicarte, entre l'émetteur et le récepteur. Dans les discussions sur les interconnexions, les vias sont souvent considérés comme des perturbateurs d'impédance inductive. Ils ressemblent à des inductances à haute fréquence et peuvent provoquer des réflexions s'ils ne sont pas correctement conçus. Mais les connecteurs se comportent de la même manière, agissant comme des lignes de transmission miniatures avec leur propre impédance qui peut affecter l'interaction des signaux.

Malgré le désir d'avoir des connecteurs sans défaut, la réalité est qu'ils introduisent des pertes de retour et d'insertion. Ces pertes résultent d'un décalage d'impédance, principalement dû aux pastilles de montage en surface des connecteurs. Les connecteurs à trous traversants contribuent également à la perte d'insertion, les broches introduisant des différences d'impédance inductive et capacitive.

Les pastilles de connecteur CMS augmentent souvent la capacité par longueur lorsqu'elles sont accompagnées de cuivre plus large, ce qui réduit par conséquent l'impédance caractéristique de la trace au niveau de la pastille de connecteur. Cette différence d'impédance capacitive entraîne une réflexion du signal, qui se traduit par une perte de retour et une perte d'insertion au niveau du connecteur.

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