Parar a perda de sinal em PCBs de alta frequência: estratégias de material e design que funcionam

Em eletrônica de alta frequência — onde os sinais correm a 10 GHz e além — mesmo uma perda de 1 dB pode prejudicar o desempenho. Uma estação base 5G pode perder conexões, um sistema de radar pode perder alvos ou um transceptor de satélite pode falhar ao transmitir dados. A perda de sinal aqui não é apenas um incômodo; é um ponto crítico de falha. A boa notícia? Com os materiais e as escolhas de design corretos, você pode reduzir a perda de sinal em até 60%, garantindo que sua PCB de alta frequência funcione conforme o esperado. Veja como fazer isso.

Por que a perda de sinal acontece em PCBs de alta frequência

A perda de sinal (frequentemente chamada de perda de inserção) em PCBs de alta frequência decorre de três principais culpados. Compreendê-los é o primeiro passo para corrigir o problema:

  a. Perda dielétrica: energia desperdiçada como calor no substrato da PCB, causada pela constante dielétrica (Dk) e tangente de perda (Df) do material. Df mais alto = mais perda, especialmente acima de 28 GHz.
  b. Perda do condutor: resistência em trilhas de cobre, agravada pelo efeito de pele (sinais de alta frequência viajando nas superfícies das trilhas) e rugosidade da superfície.
  c. Perda por radiação: sinais “vazando” das trilhas devido a roteamento inadequado, aterramento inadequado ou comprimento excessivo da trilha.

Escolhas de materiais: a base do desempenho de baixa perda
Seu substrato de PCB é a primeira linha de defesa contra a perda de sinal. Veja como os principais materiais se comparam a 60 GHz (uma frequência mmWave comum para 5G e radar):

Conclusão principal: os materiais PTFE e Rogers reduzem a perda total em 65–73% em comparação com o FR-4 a 60 GHz. Para a maioria dos projetos de alta frequência, o Rogers RO4830 equilibra desempenho e custo.

Estratégias de design para minimizar a perda de sinal
Mesmo os melhores materiais não podem superar um design ruim. Use estas técnicas para complementar a sua escolha de substrato:

1. Encurtar os comprimentos das trilhas
Os sinais de alta frequência se degradam rapidamente com a distância. Para cada 1 polegada de trilha a 60 GHz:

  a. FR-4 perde ~11 dB (quase 90% da força do sinal).
  b. PTFE perde ~3 dB (50% da força).

Correção: roteie as trilhas diretamente, evitando curvas desnecessárias. Use padrões de “dogbone” para conexões de componentes para minimizar o comprimento sem sacrificar a soldabilidade.

2. Controle a impedância rigorosamente
As incompatibilidades de impedância (quando a impedância da trilha se desvia do alvo, por exemplo, 50 ohms) causam perda por reflexão — sinais voltando em vez de atingir seu destino.

Como corrigir:
  Use ferramentas de simulação (por exemplo, Ansys SIwave) para calcular a largura/espaçamento da trilha para seu material (por exemplo, trilhas de 50 ohms no Rogers RO4830 precisam de ~7 mil de largura com espaçamento de 6 mil).
  Adicione cupons de teste de impedância ao seu painel de PCB para verificar a consistência após a produção.

3. Otimize os planos de aterramento
Um plano de aterramento sólido atua como um “espelho” para os sinais, reduzindo a perda por radiação e estabilizando a impedância.

Melhores práticas:
  a. Use um plano de aterramento contínuo diretamente abaixo das trilhas de sinal (sem divisões ou lacunas).
  b. Para PCBs multicamadas, coloque planos de aterramento adjacentes às camadas de sinal (separados por ≤0,02 polegadas para altas frequências).

4. Reduza vias e stubs
Vias (furos conectando camadas) criam descontinuidades de impedância, especialmente se forem:

  a. Grandes demais (diâmetro >10 mil para projetos de 50 ohms).
  b. Sem revestimento ou mal revestidos.
  c. Acompanhados por “stubs” (comprimento de via não utilizado além do ponto de conexão).

Correção: use microvias (6–8 mil) com “back drilling” para remover stubs, reduzindo a perda relacionada a vias em 40%.

5. Trilhas de cobre lisas
Superfícies de cobre ásperas aumentam a perda do condutor em até 30% a 60 GHz (devido ao efeito de pele amplificando a resistência).

 a. Solução: especifique cobre de “baixo perfil” (rugosidade da superfície <0,5 μm) em vez de cobre padrão (1,5–2,0 μm). Rogers e Isola oferecem substratos com cobre de baixo perfil pré-laminado para este fim.

Resultados do mundo real: um estudo de caso 5G
Um fabricante de telecomunicações mudou do FR-4 para o Rogers RO4830 para seus módulos 5G de 28 GHz e implementou as estratégias de design acima. O resultado?

  a. A perda de sinal caiu de 8 dB para 3,2 dB em 4 polegadas de trilha.
  b. A confiabilidade da conexão melhorou em 45% nos testes de campo.
  c. A geração de calor (da perda dielétrica) diminuiu em 28%, estendendo a vida útil dos componentes.

Conclusão
Parar a perda de sinal em PCBs de alta frequência exige uma abordagem dupla: escolher materiais de baixo Df (como Rogers ou PTFE) e combiná-los com controles de design rigorosos (trilhas curtas, correspondência de impedância, aterramentos sólidos). Para sistemas 5G, radar ou satélite, esta combinação não é opcional — é a diferença entre um produto que funciona e outro que falha.

Ao priorizar o desempenho do material e a disciplina de design, você garantirá que sua PCB de alta frequência ofereça a velocidade, o alcance e a confiabilidade que sua aplicação exige.