Windows7_PUFF21-Tuto.. - von Gunthard Kraus

4. Einstieg in die Simulation von Schaltungen auf Leiterplatten
4.1. Einige Worte zu den Platinenwerkstoffen
Sehr oft ist es in der HF-Technik nötig, Signale auf einer Leiterbahn mit einem bestimmten
Wellenwiderstand (meist: 50Ω) zu führen oder einen Widerstand „anzupassen“. Das bedeutet,
seinen Widerstandswert (der vom Systemwiderstand Z = 50Ω abweicht) bei einer bestimmten
Frequenz oder sogar in einem bestimmten Frequenzband) auf 50Ω zu transformieren und das kann
mit diskreten Schaltungen geschehen (Name: „Anpassungs-Netzwerk“). Aber bei Frequenzen ab
1GHz greift man lieber zu Schaltungen mit HF-Leitungen, die diese Aufgabe ausführen. Und auf einer
Platine bietet sich dazu eine „Microstrip-Line“ geradezu an. Sie besteht aus einer Leiterbahn auf der
Oberseite der Platine -- deren Breite den Wellenwiderstand festlegt! -- und einer durchgehenden
Massefläche auf der Platinenunterseite.
Dazu einige Informationen zur Wahl des passenden Platinenwerkstoffes und einer erfolgreichen
Simulation solcher Microstrip-Leitungen:
Bis 1GHz kann man unbesorgt „FR4“-Material verwenden. Es ist billig und besteht aus
Glasfasergewebe, das mit Epoxydharz getränkt ist. Es ist stabil, lässt sich mechanisch gut bearbeiten
und seine Güte liegt bei 1GHz noch etwa bei Q = 100. Allerdings sinkt die Güte mit steigender
Frequenz schnell ab (bei 1,5GHz haben wir noch etwa Q = 40), und was schlimmer ist:
Ab ca. 1,5GHz vermindert sich auch schnell die Dielektrizitätskonstante „ε r “ (vorher: ca. 4,33 --
aber je nach Hersteller etwas streuend), während die Verluste immer stärker ansteigen und
damit die Güte Q weiter sinkt. Deshalb wird die Simulation ab diesem Bereich immer
schwieriger und die Anwendungen beschränken sich auf weniger hochwertige Ansprüche in
einem engen Frequenzbereich.
Trotzdem folgen hier noch die typischen Platinendaten beim Einsatz bis max. 1,5 GHz:
Platinendicke = 1,52mm / Kupferschichtdicke = 35µm / Oberflächenrauhigkeit = 2µm /
Dielektrizitätskonstante ca. 4,33 / Verlustfaktor tand ca. 0,01 für 1GHz und ca. 0,025 für 1,5GHz.
Für gehobene Ansprüche greift fast Jeder zum Material „RO4003“ der Firma Rogers (Importeur für
Deutschland: Mauritz in Hamburg). Es besteht aus Keramikpulver in verlustarmen Polymeren, ist
mechanisch ähnlich stabil wie FR4, lässt sich ebenso gut bearbeiten und nicht allzu teuer. Seine
elektrischen Daten sind bis 10GHz vorzüglich und die typische Platinendicke bis zu 1GHz ist meist
0,8….1,5mm, darüber bis zu einigen Gigahertz 32mil = 0,813mm. Geht es dagegen bis 10GHz, dann
hat sich eine Platinendicke um 10mil = 0,254 mm eingebürgert (…um unerwünschte Modi der
Signalausbreitung auf der Leitung zu vermeiden).
Die für die Simulation wichtigen Daten neben der Platinendicke sind:
Dielektrizitätskonstante er = 3,55 / Verlustfaktor tand = 0,0027 für 10GHz bzw. 0,0021 für 2,5GHz
bzw. 0,001 für 1GHz und darunter / Kupferschichtdicke bis zu einigen GHz = 35µm, darüber
meist 17µm / Oberflächenrauhigkeit = 2µm
Hinweis:
Von diesem vorzüglichen RO4003-Material gibt es die Variante RO4350B. Sie kommt modernen
Forderungen entgegen und ist „flammhemmend“ (= nicht brennbar). Durch die nötigen Zusatzstoffe
ändert sich die Dielektrizitätskonstante etwas, aber auch die Verluste werden höher.
Es gilt:
ε r steigt leicht (= von 3,55 beim RO4003 auf 3,66 beim RO4350B).
Und hier der Verlustfaktor tand = lt = loss tangent:
bei 10GHz gilt:
lt = 0,0027 für RO4003 und 0,0037 für RO4350.
Bei 2,5GHz findet man dagegen: lt = 0,0021 für RO4003 bzw. 0,0031 für RO4350B
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