Технология RF цепей - Советы по проектированию печатных плат ВЧ и СВЧ-диапазона

Индустрия печатных плат ВЧ и СВЧ-диапазона быстро развивается, и стремление к ускорению и удешевлению производства печатных плат в сборе продолжается. Такие агрессивные темпы приводят к тому, что правила проектирования печатных плат вступают в противоречие с требованиями к компонентам. Разобщенность между разработчиками и производителями приводит к слепому следованию этим правилам, что исключает возможности для повышения эффективности.

Эти проблемы требуют от проектировщиков осознания потенциальных проблем и подводных камней, чтобы их избежать. Сейчас мы обсудим некоторые проблемы, характерные для проектирования печатных плат ВЧ и СВЧ-диапазона, и несколько советов о том, как с ними справиться, охватывая все, от базовых советов по проектированию до практических рекомендаций по крупномасштабной радиочастотной сборке.

Сегодня мы поделимся основными советами по проектированию ВЧ- и СВЧ-печатных плат. Вот несколько подводных камней, которые помогут избежать их возникновения.

Размещение компонентов

Компоненты следует размещать как можно ближе к центру печатных плат ВЧ- и СВЧ-диапазона. Это минимизирует паразитную индуктивность, которая может ухудшить рабочие характеристики на более высоких частотах. Компоненты также следует размещать как можно ближе к их соединительным разъемам. Это уменьшает связь между трассами и улучшает целостность сигнала. Например, при проектировании высокоскоростной цифровой интерфейсной платы важно поддерживать минимальное расстояние между трассами на противоположных сторонах платы. Это сводит к минимуму перекрестные помехи между радиочастотными и микроволновыми сигналами на разных слоях печатной платы.

Плохое заземление

Заземление является критическим аспектом любой схемы. Если в вашей печатной плате для ВЧ- и СВЧ-устройств имеется плохое заземление, это может привести к возникновению помех в других цепях или даже к повреждению вашей схемы. Например, если на вашей печатной плате для ВЧ и СВЧ-излучения имеются следы на обеих сторонах, возможно, что соединения на одной стороне лучше, чем на другой (из-за различных условий окружающей среды). Это может вызвать проблемы. Чтобы избежать этого, убедитесь, что все трассы надежно заземлены по всей длине, используя множество переходов и толстые трассы.

Оптимизация маршрута

Пути маршрутизации могут быть оптимизированы для снижения уровня шума за счет устранения переходных отверстий (точек соединения) в ненужных местах. Переходные отверстия часто используются в качестве наземных плоскостей для снижения уровня радиации в воздухе. Однако переходные отверстия также могут использоваться в качестве антенн, если они расположены вблизи точек с высоким сопротивлением на печатных платах ВЧ и СВЧ-диапазона, таких как линии электропередач. В этом случае они могут излучать электромагнитную энергию в свободное пространство или в другие близлежащие проводники, такие как трассы или кабели, ведущие к плоскости заземления.

Площадь контура

По сравнению с линейными трассами, участки контура вызывают ухудшение сигнала из-за их высокого импеданса. По этой причине, по возможности, используйте несколько переходных отверстий вместо одного, чтобы минимизировать площадь контура, или размещайте их как можно ближе к контактным площадкам компонентов, чтобы они соприкасались с переходными отверстиями, к которым необходимо подключаться в радиочастотном и микроволновом режимах. Минимальное расстояние между контактными площадками компонентов на печатной плате.

Проводящий шум

Проводящий шум распространяется по проводящим путям, таким как дорожки или плоскости заземления. Проводящий шум может быть вызван переключением транзисторов, микроконтроллеров или других электронных устройств на печатных платах ВЧ и СВЧ-диапазона. Когда эти устройства выключены, они испускают всплески тока, которые создают электромагнитные поля, исходящие от ваших печатных плат ВЧ- и СВЧ-диапазона. Эти всплески называются скачками переходного тока, и они могут проходить через плоскость заземления на печатных платах ВЧ и СВЧ-диапазона, создавая электростатический разряд (ESD), если они достигают антенны на конце платы.

Используйте многослойные ВЧ- и микроволновые печатные платы

Чем больше слоев вы добавляете к ВЧ- и микроволновым печатным платам, тем большая площадь поверхности меди доступна для отвода тепла и обеспечения обратного пути для прохождения тока. Это означает, что многослойные платы идеально подходят для высокочастотных применений, таких как радиочастотные/микроволновые системы, где необходимо эффективно отводить тепло, сохраняя при этом низкоомный обратный канал для высокочастотных токов в антенне.

Потеря обратного сигнала

Потеря обратного сигнала антенны является важным фактором при проектировании печатных плат ВЧ и СВЧ-диапазона. Потери в обратном направлении любой печатной платы ВЧ и СВЧ-диапазона определяются как отношение мощности между прямой и отраженной волнами на заданной частоте. В идеале это значение должно превышать -20 дБ на всех интересующих частотах. Однако на практике для большинства приложений минимальным требованием следует считать -10 дБ.

Основными причинами обратных потерь являются несоответствие импеданса в плоскости заземления и ток утечки. Несоответствие импеданса между антенной и связанными с ней компонентами может вызывать отражения, что приводит к снижению эффективности. Например, обеспечение соответствия полного сопротивления между антенной и коаксиальным кабелем в пределах +/-2% поможет обеспечить хорошую эффективность.

Токи утечки также могут вызывать значительные потери, отражая сигналы обратно в цепи-источники или излучая их в свободное пространство, создавая помехи для других устройств или систем на печатных платах ВЧ и СВЧ-диапазона.

Характеристики ламината RF PCB

Свойства ламината PCB являются основой производительности печатных плат в радиочастотном и микроволновом диапазонах. Доступные типы ламината обладают различными свойствами, включая диэлектрическую проницаемость (dk), тангенс угла потерь и температурный коэффициент. Эти факторы будут влиять на производительность ваших ВЧ- и СВЧ-печатных плат на протяжении всего срока их службы. На эти характеристики могут влиять многие факторы, включая толщину материала печатной платы, тип используемой подложки и даже количество слоев на самих ВЧ- и СВЧ-печатных платах.

Конструкция из ламината RO4350B, изготовленного под смешанным давлением

Наиболее важным фактором при выборе ламината для печатных плат является обеспечение его совместимости с вашими требованиями к дизайну печатных плат ВЧ и СВЧ-диапазона. Например, если вам требуются высокие частотные характеристики, вы можете выбрать материал с высокой диэлектрической проницаемостью, такой как сердечник Роджерса или ламинат из ПТФЭ. Однако, если вам не нужны высокие частотные характеристики, вам может подойти материал с более высоким коэффициентом усиления, такой как FR4.

Линии передачи и переходные отверстия для печатных плат ВЧ и СВЧ-диапазона

Линии передачи используются для передачи радиочастотных сигналов из одного места в другое. Линии передачи имеют различные значения полного сопротивления и могут быть классифицированы в зависимости от их электрической длины. Полное сопротивление - это сопротивление электрическому потоку, обусловленное индуктивностью, емкостью и другими электрическими характеристиками. Линии электропередачи обычно состоят из одного или пары проводников (экранированных или неэкранированных). Полное сопротивление линии электропередачи зависит от ее физической длины и рабочей частоты.

Основное назначение линий передачи - уменьшить отражения сигнала при преобразовании между двумя устройствами на печатных платах ВЧ и СВЧ диапазона. Для этого необходимо убедиться, что в линии нет разрывов, которые могли бы вызвать отражения или стоячие волны. Это требует тщательного проектирования при размещении компонентов на печатной плате ВЧ и СВЧ-диапазона и выборе правильной конструкции линии передачи для вашего применения.

Существует три типа линий передачи: коаксиальный кабель, микрополосковая линия и щелевая линия.

Коаксиальный кабель

Коаксиальные кабели используются в высокочастотных приложениях с частотой до 40 ГГц, поскольку они могут выдерживать высокие токи во всей полосе пропускания с небольшими потерями. Коаксиальный кабель обычно изготавливается из медной проволоки, но также могут использоваться другие материалы для радиочастотных и микроволновых печатных плат, такие как посеребренная медь, в зависимости от диапазона частот и требований к питанию в конкретной области применения.

Микрополосковый кабель

Микрополосковый кабель является наиболее часто используемой линией передачи. Он состоит из плоскости заземления на одной стороне ламината радиочастотной печатной платы и верхних сигнальных трасс на другой стороне. Плоскость заземления должна быть шире сигнальных трасс, чтобы между ними не было взаимодействия. Толщина диэлектрического слоя должна быть не менее 1/4 дюйма для миллиметровых частот и 1/2 дюйма для сверхвысоких и более высоких частот. На более низких частотах вы можете использовать более тонкие диэлектрики, такие как FR-4 или Rogers RO4350B, без дополнительных потерь из-за пограничных полей между плоскостью заземления и сигнальными трассами.

Полосковая линия

Полосковая линия аналогична микрополосковой, за исключением того, что у нее нет заземляющей плоскости на одной или обеих сторонах ламината RF PCB. Она имеет меньшие потери, чем микрополосковая, поскольку между двумя проводниками нет окаймляющих полей. Полосковые линии часто используются, когда необходимо передавать высокоскоростные сигналы на большие расстояния, не вызывая рассогласования импедансов на изгибах полосковой линии или отражений от разъемов, установленных на ее концах.

Зазор в силовой плоскости

Зазор в силовой плоскости - это расстояние между двумя проводящими слоями. Этот зазор предназначен для уменьшения нежелательной связи между различными сигнальными слоями или между сигнальными слоями и плоскостями заземления или опорными плоскостями. Он также ограничивает помехи между соседними трассами и предотвращает перекрестные помехи между соседними сигнальными слоями. Это также помогает избежать образования дуги или искрения на острых углах, что может быть опасно и повлиять на эффективность схемы.

Минимальный рекомендуемый зазор для уровня питания составляет 0,15 мм от любого другого сигнального уровня, включая переходные отверстия на том же уровне. Например, если два сигнальных слоя расположены очень близко друг к другу, то вы должны убедиться, что между ними должно быть расстояние не менее 0,15 мм, чтобы избежать каких-либо помех между ними из-за влияния емкостной или индуктивной связи соседних переходов или трасс на этих двух этажах.

Сегодня iPCB предоставляет общее руководство по проектированию и сборке радиочастотных и микроволновых печатных плат, связанных с производством радиочастотных и микроволновых печатных плат. Задачи варьируются в зависимости от того, разрабатываете ли вы сложные радиочастотные и микроволновые печатные платы или работаете со сверхмалыми компонентами. Хотя изложенное здесь далеко не исчерпывающее, мы надеемся, что оно послужит полезной отправной точкой для всех, кто заинтересован в получении дополнительной информации о радиочастотных и микроволновых печатных платах. Подписывайтесь на iPCB, чтобы узнать больше и начать работу над своим следующим проектом в области радиочастотных и микроволновых печатных плат.