ПЕЧАТНАЯ PCB - Советы по проектированию высокочастотных печатных плат

Успешное проектирование высокочастотных печатных плат требует тщательного внимания к каждому шагу и деталям на протяжении всего процесса проектирования, а это означает, что тщательное планирование необходимо проводить в начале процесса проектирования. Это означает, что в начале процесса проектирования необходимо провести тщательное планирование, а ход выполнения каждого этапа проектирования должен тщательно и непрерывно оцениваться.

В последние годы это стало возможным благодаря устройствам Bluetooth. Спрос и рост числа устройств Bluetooth, устройств беспроводной локальной сети (WLAN) и мобильных телефонов привели к тому, что все большее внимание уделяется методам проектирования высокочастотных схем. С прошлого по настоящее время проектирование высокочастотных печатных плат, а также проблемы, связанные с электромагнитными помехами (EMI), всегда были одними из самых сложных, если не сказать кошмарных, для инженеров. Чтобы все получилось правильно с первого раза, требуется тщательное планирование и внимание к деталям.

Проектирование высокочастотных печатных плат часто называют формой "черного искусства" из-за множества связанных с ним теоретических неопределенностей. Однако это предвзятое мнение, и все еще существует множество правил, которым можно следовать при проектировании высокочастотных печатных плат. Однако настоящий практический навык в проектировании заключается в том, чтобы обойти эти правила, когда они не могут быть реализованы из-за различных ограничений. К важным темам высокочастотного проектирования относятся: сопротивление и согласование импедансов. Данные об изоляции и ламинатах. Длина волны и гармоники и т.д. Теперь мы сосредоточимся на различных вопросах, связанных с проектированием перегородок для высокочастотных печатных плат.

1.Типы микросхем для проектирования высокочастотных печатных плат

Высокочастотные печатные платы с различным характером схемы должны быть разделены, но не создавать электромагнитных помех в лучшем случае при подключении, которое требует использования микросхем (microvia). Обычно диаметр микропузырьков составляет от 0,05 мм до 0,20 мм. Эти отверстия обычно подразделяются на три категории: глухие сквозные, заглубленные сквозные и закапываемые сквозные. Эти переходные отверстия обычно подразделяются на три типа, а именно: глухие проходные отверстия, сквозные проходные отверстия и сквозные сквозные отверстия. Глухие переходы расположены на верхней и нижней поверхностях печатных плат и имеют определенную глубину для соединения поверхностной проводки с внутренней проводкой под ними, причем глубина переходов обычно не превышает определенного соотношения (диаметра отверстия). Заглубленные отверстия - это соединительные отверстия, расположенные во внутреннем слое печатной платы и не выходящие за ее поверхность. Оба этих типа отверстий расположены во внутреннем слое картона и выполнены с использованием процесса формирования сквозных отверстий перед ламинированием и могут перекрывать несколько внутренних слоев в процессе формирования сквозных отверстий. Третий тип называется сквозным отверстием. Отверстия такого типа проходят через всю печатную плату и могут использоваться для создания внутренних соединений или в качестве отверстий для крепления компонентов с помощью клея.

2.Внедрение технологий разделения

При проектировании высокочастотной печатной платы важно максимально отделить мощные высокочастотные усилители (HPA) от малошумящих усилителей (LNA). Проще говоря, HPA предназначен для того, чтобы схема высокочастотного передатчика высокой мощности была удалена от схемы маломощного приемника. Это можно легко сделать, если на печатной плате много места. Но обычно, когда компонентов много, пространство на печатной плате становится очень маленьким, и этого трудно добиться с помощью сувенирных изделий. Их можно расположить на обеих сторонах печатной платы или использовать поочередно, а не одновременно. Схемы большой мощности иногда могут включать высокочастотные буферы и генераторы, управляемые напряжением (VCO).

Конструктивное разделение может быть разделено на физическое и электрическое. Физическое разделение в основном связано с расположением, ориентацией и маскировкой компонентов. Электрическое разделение также может быть разделено на распределение мощности. Высокочастотная маршрутизация. Чувствительные цепи и сигналы. Заземление и т.д.

Высокочастотная печатная плата

3.Физическое разделение для высокочастотных печатных плат

Компоновка компонентов является ключом к созданию превосходного высокочастотного дизайна. Наиболее эффективный метод заключается в том, чтобы сначала закрепить компоненты на высокочастотном тракте и отрегулировать их ориентацию, чтобы минимизировать длину высокочастотного тракта. Наиболее эффективным методом является сначала закрепление компонентов на ВЧ-тракте и регулировка их ориентации таким образом, чтобы длина ВЧ-тракта была минимальной, а ВЧ-входы находились как можно дальше от ВЧ-выходов и как можно дальше от цепей высокой и низкой мощности.

Наиболее эффективным способом укладки досок является укладка основного грунта на второй слой под поверхностным слоем и нанесение высокочастотных следов на поверхностный слой как можно дальше. Сведение к минимуму размеров переходных отверстий на высокочастотном тракте не только снижает индуктивность тракта, но и уменьшает количество виртуальных паяных соединений на основной земле и снижает вероятность утечки высокочастотной энергии на другие участки ламината.

В физическом пространстве линейных схем, таких как многокаскадные усилители, обычно достаточно для изоляции нескольких высокочастотных областей друг от друга, но диплексоры, микшеры и усилители IF всегда являются хорошей идеей. Микшеры и усилители IF всегда будут иметь несколько ВЧ/ПЧ сигналов, мешающих друг другу, и необходимо позаботиться о том, чтобы свести этот эффект к минимуму. Трассы ВЧ и IF должны пересекаться, где это возможно, и разделяться плоскостью заземления, где это возможно. Правильная высокочастотная прокладка очень важна для производительности всей печатной платы, именно поэтому компоновка компонентов обычно занимает большую часть времени при проектировании печатной платы мобильного телефона.

На печатной плате мобильного телефона обычно можно разместить схему малошумящего усилителя на одной стороне печатной платы, а усилитель высокой мощности - на другой, и в конечном итоге подключить их к высокочастотной антенне на одном конце и процессору основной полосы частот на другом конце с помощью дуплексера на той же стороне. Это требует некоторой утонченности, чтобы гарантировать, что высокочастотная энергия не передается с одной стороны платы на другую через переходные отверстия, и распространенным методом является использование глухих переходных отверстий с обеих сторон. Негативное воздействие переходных отверстий можно свести к минимуму, разместив глухие переходные отверстия с обеих сторон печатной платы в местах, не подверженных высокочастотным помехам.

4.Металлические маски для высокочастотных печатных плат

Иногда невозможно обеспечить достаточное разделение между несколькими схемными блоками, и в этом случае необходимо рассмотреть возможность использования металлических масок для экранирования высокочастотной энергии в высокочастотной области, но металлические маски также имеют побочные эффекты, такие как: затраты на производство и сборку очень высоки.

Металлические маски неправильной формы трудно изготовить с высокой точностью, а прямоугольные или квадратные металлические маски накладывают некоторые ограничения на компоновку компонентов; металлические маски не подходят для замены компонентов и восстановления после отказа; и поскольку металлические маски должны быть припаяны к плоскости заземления и должны храниться на подходящем расстоянии от компоненты, они занимают ценное место на печатной плате.

Важно сохранить металлическую маску как можно более неповрежденной, поэтому цифровые сигнальные линии, входящие в металлическую маску, должны проходить как можно дальше через внутренний слой, и рекомендуется сделать слой под слоем сигнальной линии заземляющим. Высокочастотные сигнальные линии могут быть проложены через небольшую выемку в нижней части металлической маски и через слой проводов в месте заземления, но выемка должна быть окружена как можно большей зоной заземления, а заземление на разных сигнальных слоях может быть соединено вместе несколькими переходами.

Несмотря на эти недостатки, металлические маски очень эффективны и часто являются единственным решением для изоляции критических цепей.

5.Схемы развязки питания для высокочастотных плат

Кроме того, очень важны надлежащие и эффективные встроенные схемы развязки питания. Многие высокочастотные микросхемы, в состав которых входят линейные схемы, очень чувствительны к шумам от источника питания, и часто для полной фильтрации шума от источника питания требуется до четырех конденсаторов и изолирующая катушка индуктивности на каждую микросхему.

Интегральная схема или усилитель часто имеют выход с открытым коллектором, что требует наличия подтягивающей катушки индуктивности для обеспечения высокоомной высокочастотной нагрузки и низкоомного источника постоянного тока, и тот же принцип применим для развязки силовой части этой катушки индуктивности. Для работы некоторых пластин требуется более одного источника питания, поэтому для их раздельного подключения могут потребоваться два или три комплекта конденсаторов и катушек индуктивности, что может оказаться неэффективным, если вокруг пластины недостаточно места.

Особое внимание следует обратить на то, что катушки индуктивности редко располагаются параллельно друг другу, так как это создает полый трансформатор с мешающими сигналами, и расстояние между ними должно быть не менее высоты одной из них или располагаться под прямым углом, чтобы свести к минимуму их взаимную индуктивность.

6.Разделение мощности при проектировании высокочастотных печатных плат

Принцип разделения питания такой же, как и при физическом разделении, но здесь задействованы некоторые другие факторы. Некоторые компоненты современных мобильных телефонов используют разные рабочие напряжения и управляются программным обеспечением для продления срока службы батареи. Это означает, что мобильным телефонам необходимо использовать несколько источников питания, что создает дополнительные проблемы с изоляцией. Питание обычно подается по соединительной линии, которая сразу же отсоединяется, чтобы отфильтровать любой шум снаружи печатной платы, затем проходит через набор переключателей или регуляторов, после чего питание распределяется.

В мобильных телефонах, где большинство цепей имеют довольно низкий постоянный ток, ширина старой цепи обычно не является проблемой, но отдельная сильноточная цепь для питания мощных усилителей должна быть спроектирована как можно шире, чтобы свести к минимуму падение напряжения во время излучения. Чтобы избежать слишком больших потерь тока, для передачи тока с одного уровня на другой используется несколько переходных устройств. Кроме того, если выводы источника питания усилителя высокой мощности недостаточно разъединены, мощный шум будет распространяться по всей плате и вызывать различные проблемы. Заземление усилителей большой мощности очень важно, и для него часто требуется конструкция металлического кожуха.

7.Высокочастотные выходы должны находиться вдали от высокочастотных входов.

В большинстве случаев высокочастотный выходной сигнал должен находиться вдали от высокочастотного входного сигнала. Этот принцип также применим к усилителям, буферам и фильтрам. Буферы и фильтры. В худшем случае усилители и буферы могут генерировать автоколебания, если их выходные сигналы повторяют входные с соответствующей фазой и амплитудой. Они могут стать нестабильными и добавить шум и интермодуляционное усиление к высокочастотному сигналу.

Если высокочастотная сигнальная линия закольцована в обратном направлении от входа фильтра к выходу, это может серьезно ухудшить полосовые характеристики фильтра. Для хорошего разделения входа и выхода вокруг фильтра должна быть основная зона заземления, а в нижней части фильтра должна быть зона заземления, которая соединена с основной зоной заземления, окружающей фильтр. Также рекомендуется проложить сигнальные линии, которые должны проходить через фильтр, как можно дальше от контактов фильтра. Кроме того, необходимо соблюдать особую осторожность при заземлении по всей плате, в противном случае может быть непреднамеренно образован нежелательный контур подключения. Этот метод заземления подробно описан.

Иногда можно использовать несимметричные или сбалансированные высокочастотные трассы, и здесь применяются те же принципы защиты от перекрестных помех и EMC/EMI. Сбалансированные высокочастотные трассы могут снизить уровень шума и перекрестных помех, если они правильно выровнены, но их импеданс обычно выше. И чтобы получить соответствие импеданса источника. Чтобы получить соответствие импеданса между источником и нагрузкой, необходимо поддерживать разумную ширину линии, что может быть затруднительно при фактическом подключении.

8.Высокочастотные буферы в конструкции печатной платы

 буфер может использоваться для улучшения изоляции, поскольку он может разделять один и тот же сигнал на две части и использоваться для управления различными цепями. В частности, гетеродину может потребоваться буфер для управления несколькими микшерами. Когда микшер достигает синфазной изоляции на высокой частоте, он будет работать нормально. Буфер - это хороший способ изолировать изменения импеданса на разных частотах, чтобы цепи не создавали помех друг другу.

Буферы очень полезны при проектировании, они могут следовать за цепью, которая должна управляться, так что выходная линия высокой мощности очень короткая, поскольку уровень входного сигнала буфера относительно низкий, поэтому они не так легко могут создавать помехи для других цепей на плате.

9.Генераторы, управляемые напряжением, для высокочастотных плат

Генераторы, управляемые напряжением (VCO), преобразуют изменяющиеся напряжения в изменяющиеся частоты, что используется при высокоскоростном переключении каналов, но они также преобразуют незначительный шум в управляющем напряжении в небольшое изменение частоты, что добавляет шума к высокочастотному сигналу. Короче говоря, нет никакого способа устранить шум из выходного высокочастотного сигнала после того, как он был обработан генератором, управляемым напряжением. Трудность заключается в том, что требуемая полоса пропускания линии управления VCO может варьироваться от постоянного тока до 2 МГц, и практически невозможно удалить шум из такой широкой полосы с помощью фильтрации. Во-вторых, линия управления ГУН обычно является частью реверберационного контура с регулируемой частотой, который может создавать помехи в ряде мест, поэтому с линиями управления ГУН следует обращаться с большой осторожностью.

Высокочастотная печатная плата

10.Конструкция высокочастотной печатной платы для резонансных контуров

Резонансные контуры (tank-контуры) используются в передатчиках и приемниках, которые относятся к VCO, но имеют свои собственные характеристики. Проще говоря, емкостная схема представляет собой серию индуктивно-емкостных диодов, соединенных параллельно с резонансной схемой, которая помогает устанавливать рабочую частоту ГУН и модулировать голос или данные на высокочастотной несущей.

Все принципы проектирования ГУН применимы и к резонансным контурам. Поскольку резонансные контуры содержат значительное количество компонентов, их часто используют в качестве резонатора. Они занимают большую площадь. Поскольку резонансные контуры содержат значительное количество компонентов и занимают большую площадь, они обычно работают на очень высокой частоте, а антиквариат обычно очень чувствителен к шуму. Сигналы обычно поступают на соседние выводы микросхемы, но для работы эти выводы должны быть соединены с большими катушками индуктивности и конденсаторами, которые, в свою очередь, должны быть расположены как можно ближе к сигнальным выводам и подключены обратно к чувствительному к помехам контуру управления, но с минимальными шумовыми помехами насколько это возможно. Это непросто сделать.

11.Усилители с автоматической регулировкой усиления для высокочастотных плат

Усилители с автоматической регулировкой усиления (АРУ) также являются проблемной областью, как в схемах передатчика, так и в схемах приемника. Усилители AGC, как правило, эффективно отфильтровывают шумы, но поскольку мобильные телефоны способны справляться с быстрыми изменениями уровня передаваемого и принимаемого сигнала, для антикварных устройств требуется большая полоса пропускания для схем AGC, что делает усилители AGC чувствительными к появлению помех.

Схемы АРУ должны быть спроектированы в соответствии с принципами проектирования аналоговых схем, т.е. с использованием коротких входных контактов и коротких эхо-каналов, которые должны находиться на достаточном удалении от высокочастотных каналов.ПЧ или высокоскоростные цифровые сигнальные линии. Точно так же важно хорошее заземление, а источник питания микросхемы должен быть надежно отсоединен. Если необходимо спроектировать длинную линию либо на входе, либо на выходе, то лучше всего реализовать это на выходе, поскольку полное сопротивление на выходе обычно намного ниже, чем на входе, и вероятность возникновения помех меньше. Обычно, чем выше уровень сигнала, тем легче создавать помехи в других цепях.

12.Заземление высокочастотной печатной платы

Убедитесь, что заземление под высокочастотной схемой надежное, а все компоненты надежно подключены к основному заземлению и изолированы от других цепей, которые могут создавать помехи. Кроме того, убедитесь, что источник питания ГУН должным образом отключен. Поскольку высокочастотный выходной сигнал ГУН часто находится на очень высоком уровне, выходной сигнал ГУН может легко создавать помехи для других цепей, поэтому необходимо уделять ГУН особое внимание. На самом деле, VCO часто размещается в конце высокочастотной области, и иногда для него также требуется металлическая вставка.

13.Маски для проектирования высокочастотных плат

Общим принципом всех конструкций печатных плат является то, что цифровые схемы должны находиться как можно дальше от аналоговых схем, и это также относится к высокочастотным конструкциям печатных плат. Общее аналоговое заземление и заземление для маскировки и изоляции сигнальных линий обычно одинаково важны. Аналогичным образом, высокочастотные цепи следует размещать вдали от аналоговых цепей и некоторых критически важных цифровых сигналов, а также от всех высокочастотных устройств согласования. Контактные площадки и компоненты должны быть окружены заземленной медной оболочкой и по возможности подключены к основной сети заземления.  Платы со структурированной микросхемой Microvia полезны на этапе разработки высокочастотных схем, где по желанию можно использовать множество переходных отверстий без каких-либо накладных расходов, в противном случае сверление отверстий в обычной печатной плате привело бы к увеличению затрат на разработку, что было бы неэкономично при крупносерийном производстве.

Наилучшая изоляция достигается путем размещения цельного куска грунтовой плиты непосредственно под поверхностью первого слоя. Разделите грунтовую плиту на несколько частей для аналогии с изоляцией. Это плохо работает для цифровых и высокочастотных цепей, потому что в конечном итоге всегда будет несколько высокоскоростных сигнальных линий, проходящих через эти отдельные поверхности заземления, что не является хорошей конструкцией.

Независимо от того, является ли проектирование ВЧ-плат "черным искусством" или нет, соблюдение некоторых основных правил проектирования ВЧ-плат и обращение к некоторым отличным примерам проектирования ВЧ-плат помогут завершить работу по проектированию ВЧ-плат. Успешное высокочастотное проектирование требует тщательного внимания к каждому шагу и каждой детали всего процесса проектирования, а это означает, что тщательное планирование должно быть произведено в начале процесса проектирования. Это означает, что в начале процесса проектирования необходимо провести тщательное планирование, а ход выполнения каждого этапа проектирования высокочастотной печатной платы должен тщательно и непрерывно оцениваться.