為運(yùn)營(yíng)商提供下一代衛(wèi)星服務(wù)所需的性能正在擴(kuò)展用于制造空間級(jí)PCB的傳統(tǒng)材料的能力。 Ka波段，RF載波，寬帶ADC/DAC，噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器，包含多千兆位，高速串行鏈路的低壓大電流FPGA，以及1 GHz左右的I/O切換，現(xiàn)在都位于相同的PCB僅隔開幾厘米。電介質(zhì)的選擇現(xiàn)在必須優(yōu)化RF，模擬和數(shù)字要求。

航天器航空電子設(shè)備制造商正在考慮具有較低相對(duì)介電常數(shù)(Er或Dk)和耗散因數(shù)(Df)的新PCB材料，以實(shí)現(xiàn)將使衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的未來任務(wù)成為可能對(duì)于某些設(shè)計(jì)，仔細(xì)的布局規(guī)劃和元件布局將使OEM能夠使用現(xiàn)有的低成本材料和更低成本的制造來滿足目標(biāo)要求。

在較低的頻率和數(shù)據(jù)速率下，信號(hào)損耗主要是由阻抗不匹配引起的。電介質(zhì)吸收和導(dǎo)體損耗較少。在較高頻率下，材料損耗變得同等重要，并且在設(shè)計(jì)過程中必須考慮受控的基板構(gòu)造。

在更高頻率(和更快的邊緣)處，由于特征阻抗(Z0)的變化，介電材料對(duì)某些信號(hào)能量的吸收以及由趨膚效應(yīng)和銅表面粗糙度引起的電阻性溝道損耗而發(fā)生損耗。反射是由阻抗不連續(xù)性引起的，Z0的變化是由層壓板厚度的差異，基板的介電常數(shù)的變化以及蝕刻跡線的寬度中的制造公差引起的。

幾乎所有PCB基板的介電常數(shù)(Er/Dk)隨頻率而降低，這表現(xiàn)在兩個(gè)方面：信號(hào)速度增加，傳輸線的特征阻抗變小。前者在帶寬豐富的數(shù)字信號(hào)中產(chǎn)生相位失真，而Z0的變化導(dǎo)致更快的邊緣反射比慢的邊緣更多。邊緣包含諧波，其振幅可達(dá)0.35/T，其中T是ns中上升或下降時(shí)間的較小值。

在電介質(zhì)中，玻璃纖維編織圖案和增強(qiáng)材料與樹脂的比例導(dǎo)致局部Er/Dk的變化。玻璃和環(huán)氧樹脂各自具有不同的相對(duì)介電常數(shù)，從而呈現(xiàn)出用于信號(hào)傳播的非均勻介質(zhì)。

編織網(wǎng)越緊密，介電常數(shù)越均勻。松散的編織導(dǎo)致層壓板內(nèi)的更多變化，導(dǎo)致緊密匹配的信號(hào)(例如差分對(duì))中的跡線阻抗和傳播偏斜的變化，其直接參考編織。一些模式如下所示。

圖1不同類型的玻璃纖維編織會(huì)影響介電常數(shù)，走線阻抗，傳播偏斜。

例如，在玻璃樣式106這樣的稀疏編織中，可以對(duì)差分對(duì)的一條腿進(jìn)行布線直接在光纖上，而另一條腿在編織之間布線，如圖2所示。這導(dǎo)致差分通道的每個(gè)支路具有不同的Er/Dk，這在兩個(gè)跡線之間引入偏斜并且取決于數(shù)據(jù)速率，可以影響影響在接收器處看到的眼睛質(zhì)量的單位間隔(UI)。 br>

圖2在稀疏編織中，差分對(duì)的一條腿可以直接在光纖上布線，而另一條腿在編織之間布線。圖片由Isola提供。

當(dāng)元件焊料流到PCB上并且電路板經(jīng)受溫度循環(huán)時(shí)，或者需要航空電子設(shè)備在高溫下工作的任務(wù)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須意識(shí)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。這是當(dāng)材料中的樹脂開始膨脹比周圍玻璃編織物和銅的膨脹快得多時(shí)，可能導(dǎo)致Z方向的體積增長(zhǎng)。在極端情況下，所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)破壞通孔并導(dǎo)致分層。材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)行為可能會(huì)在Tg以上急劇變化，變得機(jī)械和電氣不穩(wěn)定。

溫度也會(huì)影響PCB的電氣性能，因?yàn)镋r隨溫度的變化而變化，由一個(gè)稱為溫度的函數(shù)定義介電常數(shù)的熱系數(shù)。 Z0不僅由基板材料的厚度確定，而且由Dk確定，并且由于溫度引起的z軸CTE和Er的變化可以顯著影響在該材料上制造的傳輸線的阻抗。

與傳統(tǒng)的空間級(jí)PCB材料相比，最新的倒裝芯片封裝具有較低的CTE，這種不匹配給OEM帶來了一些制造挑戰(zhàn)。低功耗，高電流FPGA需要仔細(xì)的熱管理和較重的銅或使用銅殷銅，銅鉬銅，鋁和碳復(fù)合材料來平衡導(dǎo)熱性和CTE。 PCB材料的導(dǎo)熱性可用作層壓板散熱效果的相對(duì)指標(biāo)。

Isola的Tachyon 100G和I-Tera MT材料為未來的空間應(yīng)用提供了潛力，羅杰斯公司也有一些有趣的預(yù)浸料。 Isola專門開發(fā)了GigaSync和Chronon層壓板，以解決高速PCB設(shè)計(jì)問題。下表對(duì)航天工業(yè)目前正在使用或考慮的一些電介質(zhì)進(jìn)行了比較。

對(duì)于注重成本的子系統(tǒng)，仔細(xì)的布局規(guī)劃和布局技術(shù)可以避免使用更昂貴的材料和PCB制造。將元件放在一起可以最大限度地減少走線長(zhǎng)度和耗散損耗，而鋸齒形或慢速布線可以減輕光纖編織的影響，因?yàn)檑E線會(huì)反復(fù)布線和斷開編織，如下所示。

圖3Zig-zag和慢跑路由可以減輕纖維編織的影響。

對(duì)于希望利用高速串行鏈路優(yōu)勢(shì)的成本敏感型子系統(tǒng)，使用預(yù)加重和均衡將彌補(bǔ)一些信道損耗。對(duì)于某些應(yīng)用，這將允許使用傳統(tǒng)的，更便宜的FR4基板或中等性能材料進(jìn)行PCB制造。

為了經(jīng)濟(jì)高效地提供未來的衛(wèi)星子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員必須了解影響信號(hào)損失，信號(hào)完整性的材料特性，以及PCB可制造性，以便在預(yù)算范圍內(nèi)提供所需的任務(wù)性能。