في أنظمة الرقميات عالية السرعة والاتصالات الراديوية اليوم، لم تعد لوحة الدارة المطبوعة (PCB) مجرد حامل ميكانيكي للمكوّنات. فمع ارتفاع معدلات الإشارة إلى نطاق عدّة جيجابت في الثانية (Gbps)، تُصبح الخصائص الكهربائية لمادة الركيزة عاملًا مباشرًا في بقاء الإشارات نظيفة ومتزامنة وخالية من التشوّه.
تُفصّل هذه المقالة أهم معاملين في تصميم الدارات عالية التردد/عالية السرعة—ثابت العزل الكهربائي (Dk) وعامل الفقد أو ظل زاوية الفقد (Df, tan δ)—وتشرح كيف يؤثران في سرعة الإشارة، وفاقدها، وموثوقية النظام عمومًا. كما ستعرف لماذا أصبحت المواد منخفضة Dk وDf أساسية في الدارات الحديثة عالية السرعة.
لماذا تهمّ الأداءات الكهربائية في تصميم الـ PCB عالي السرعة؟
في الإلكترونيات منخفضة السرعة، تؤدي الـ PCB دور إطار ميكانيكي ومنصّة توصيل فحسب. أمّا عندما تصل معدلات الحواف إلى مجال البيكوثانية، تصبح اللوحة جزءًا من قناة الإرسال نفسها.
فالركيزة تتحكم بانتشار الموجات الكهرومغناطيسية—مؤثرةً في التأخير، والممانعة، والتداخل الترافقي، والتوهين.
تطبيقات شائعة تتطلب خصائص دقيقة للركيزة:
- الواجهات التسلسلية عالية السرعة (PCIe، وUSB 4.0، وSATA، وSerDes)
- ظهر اللوحات والخطوط البينية في مراكز البيانات وحوسبة الذكاء الاصطناعي
- وحدات الاتصالات للجيل الخامس والميكروويف
- إلكترونيات الطيران والرادار والدفاع
إهمال خصائص العزل في هذه الأنظمة يقود إلى تدهور الإشارة، وزيادة الرجفان الزمني (jitter)، وأخطاء التوقيت التي لا يصلحها أي تعديل لاحق على التخطيط.
ثابت العزل الكهربائي (Dk): المعامل الذي يحدد سرعة الإشارة
ما هو Dk؟
ثابت العزل الكهربائي (أو السماحية النسبية) يصف مقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن للمادة خزنها في مجال كهربائي.
تعريفًا:
Dk = السعة مع وجود العازل / السعة في الهواء.
ارتفاع Dk يعني قدرة أكبر على خزن الطاقة ولكن انتشارًا أبطأ للإشارة.
كيف يؤثر Dk في سرعة الإشارة؟
سرعة الإشارة داخل العازل تتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي لـ Dk:
v ∝ 1 / √Dk
إذًا:
- انخفاض Dk → انتشار أسرع وتأخير أقصر
- ارتفاع Dk → انتشار أبطأ وانحراف زمني أكبر (skew)
قيم مرجعية:
- الهواء: Dk ≈ 1
- FR-4 القياسي: Dk ≈ 4.2–4.5
- Rogers 4350B: Dk ≈ 3.48
هذا الانخفاض يمكنه تقليل تأخير الانتشار بنسبة 15–20٪—مكسب مهم لإشارات الجيجابت.
عامل الفقد (Df): مقياس خسارة الطاقة
ماذا يمثل Df؟
عامل الفقد (Df)—ويُسمّى أيضًا ظل زاوية الفقد (tan δ)—هو نسبة الطاقة المفقودة في العازل إلى إجمالي الطاقة المطبّقة.
بصيغة أبسط: يبين Df مقدار ما يتحول من طاقة إشارتك إلى حرارة أثناء انتقالها في الـ PCB.
لماذا يهمّ Df؟
مع ارتفاع التردد، تعجز استجابات الاستقطاب الجزيئي عن اللحاق، فترتفع خسائر العازل. تؤدي المواد ذات Df المرتفع إلى:
- توهين أكبر للإشارة
- انخفاض مركبات التردد العالي
- انغلاق أو تشوّه “مخطط العين”
قيم نموذجية:
- FR-4 القياسي: Df ≈ 0.020
- FR-4 منخفض الفقد (مثل MEGTRON 6): Df ≈ 0.005
- PTFE فائق الانخفاض (مثل Rogers 3003): Df < 0.001
كلما انخفض Df كانت الإشارات أنظف وأكثر موثوقية عند السرعات العالية.
من العناصر المجمّعة إلى خطوط الانتقال
في الترددات المنخفضة، يتصرف المسار النحاسي كدائرة R||C بسيطة.
لكن عندما يصبح طول المسار مماثلًا لمسافة انتشار حافة الإشارة، يجب التعامل معه كـ خط انتقال.
في هذا النطاق، يحدد Dk:
- تأخير الإشارة (سرعة الانتشار)
- الممانعة المميزة
- الانحراف الزمني وسلوك الانعكاسات
عدم تجانس Dk أو ارتفاعه قد يؤدي إلى انعكاسات وعدم تطابق ممانعة ومشاكل توافق كهرومغناطيسي؛ لذا تُعد المواد منخفضة Dk المضبوطة بإحكام ضرورية لثبات سلامة الإشارة.
خسارة العازل مقابل التردد
تعتمد خسارة العازل على كلٍّ من Dk وDf، ويمكن تقريبها بالعلاقة:
التوهين ∝ √Dk × tan δ
وتزداد الخسارة خطيًا تقريبًا مع التردد. في نطاقات الجيجاهرتز:
- تتبدد مركبات التردد العالي سريعًا على هيئة حرارة
- تبطؤ أزمنة الصعود
- يضيق عرض الحزمة الفعّال
في الروابط متعددة الجيجابت (25G و56G و112G PAM4)، قد يُحدث فرق صغير في Df تغيّرًا كبيرًا في فقد الإدخال ومعدل أخطاء البت (BER).
الثبات عبر التردد والبيئة
عمليًا، لا تبقى قيم Dk وDf ثابتة؛ إذ تتغير مع:
- التردد: تأخر الاستقطاب يبدّل Dk وDf
- الحرارة: ارتفاع الحرارة → انخفاض Dk وارتفاع Df
- الرطوبة: امتصاص الرطوبة → ارتفاع Dk وزيادة الخسائر
التغيرات الكبيرة عبر نطاق التشغيل أو البيئة تؤدي إلى:
- تغيّر سرعة الإشارة
- انجراف الممانعة
- زيادة الرجفان الزمني وأخطاء التوقيت
لذلك يجب أن توفر الركائز العالية الأداء قيم Dk وDf منخفضة مع ثباتٍ مسطّح عبر نطاقات ترددية وبيئية واسعة.
الخلاصة: خصائص المادة تحدد أداء النظام
في التصميم عالي السرعة، ليست ركيزة الـ PCB عنصرًا سلبيًا، بل جزءًا نشطًا من قناة الإشارة.
- Dk يتحكم في سرعة الإشارة والتأخير.
- Df يحدد خسارة الطاقة وجودة مخطط العين.
- الثبات يضمن سلوكًا متوقعًا على المدى الطويل.
إن اختيار الركيزة المناسبة—مثل Rogers أو Isola أو سلسلة Panasonic MEGTRON—يعزّز عرض الحزمة، ويقلل الرجفان، ويساعد في الامتثال لمتطلبات أقنعة العين الصارمة.
في عصر بيانات الجيجابت وحتى التيراهرتز، أصبحت مواد لوحات الدارات بالأهمية نفسها للرقاقات التي تربطها. إن ثابت العزل الكهربائي وعامل الفقد يحددان بالفعل سقف الأداء لكل نظام عالي السرعة.
