RF PCB je typ desky s plošnými spoji (PCB) určené pro přenos a zpracování radiofrekvenčních signálů. Tyto signály jsou vysokofrekvenční. Obvykle mají frekvenci rovnou nebo vyšší než 300 kHz a až 300 GHz.

Radiofrekvence (RF) je označení pro skupinu elektromagnetických vln. Lidé tento název používají, když tyto vlny mohou fungovat pro rádiovou komunikaci. Rozsah frekvence pro RF není v různých knihách vždy stejný. Některé knihy uvádějí, že RF je frekvence od 30 MHz do 3 GHz. Některé říkají, že je to od 300 MHz do 40 GHz. Tyto rozsahy se mohou překrývat s rozsahem nazývaným mikrovlny. Některé jiné knihy používají jiný způsob rozdělení spektra. Říkají, že do jedné skupiny patří vlny s vlnovou délkou od 1 megametru do 1 metru. To dává frekvence od 30 Hz do 300 MHz. Hranice mezi VF a mikrovlnami není zcela jasná. Hranice se může měnit s tím, jak se zlepšují součástky a konstrukční metody.

RF PCB a jeho hlavní vlastnosti

Když navrhujeme desku plošných spojů pro VF použití, musíme myslet na to, jak se chovají přenosová vedení. Vodič nebo stopu na desce plošných spojů můžeme modelovat dvěma způsoby. Jedním z nich je model lumped element. Druhým je model s rozloženými parametry. Obvyklé pravidlo je následující. Pokud je geometrická délka l dělená vlnovou délkou λ rovna nebo větší než 0,05, pak použijeme model s rozloženými parametry. V této poznámce se VF spojem rozumí obvod, kde přenosové vedení potřebuje distribuovaný model. V praxi je délka stopy na desce plošných spojů zřídka delší než 50 cm. Můžeme tedy vycházet z analogových signálů na frekvenci 30 MHz. Signály nad 3 GHz se často nazývají mikrovlnné. Kvůli výrobním limitům, kdy vzdálenost mezi prvky může být 0,5 mm, lidé někdy nastavují horní frekvenci na 30 GHz. To však není vždy užitečné.

Z těchto bodů můžeme říci, že RF PCB je PCB pro analogové signály s frekvencí přibližně 30 MHz až 6 GHz. Volba mezi lumped nebo distributed modelem by se měla řídit výše uvedeným vzorcem a pracovní frekvencí.

Protože dielektrická konstanta substrátu je obvykle vysoká, vlny se v desce pohybují pomaleji než ve vzduchu. Proto je vlnová délka na desce kratší. U mikropáskových a jiných vedení musí mít substrát nízké dielektrické ztráty. Dielektrická konstanta by se v potřebném frekvenčním a teplotním rozsahu neměla příliš měnit. Substrát by měl mít dobrou tepelnou vodivost a hladký povrch. Musí dobře přilnout k vodiči.

Pro kov na stopě potřebujeme vysokou vodivost. Kov by měl mít malý teplotní součinitel odporu. Měl by dobře přilnout k substrátu. Měl by se snadno pájet.

Zásady pro výběr materiálu RF desek

Úloha substrátu v mikrovlnných PCB

DPS pro mikrovlnnou frekvenci není pouze nosičem součástek. Je to také médium pro mikrovlnná elektromagnetická pole. Pro vysokofrekvenční obvody je tedy nejlepší volbou vysokofrekvenční nebo mikrovlnný substrát.

Řízení impedance stopy

Na VF desce plošných spojů se musí tištěné stopy řídit běžnými pravidly, jako je proudová zatížitelnost. Kromě toho musíme kontrolovat charakteristickou impedanci stopy. Stopy musí být impedančně přizpůsobeny. Proces výroby DPS tedy musí kontrolovat impedanci stop. Charakteristická impedance stopy závisí na materiálu DPS a jeho fyzikálních parametrech. Konstruktéři DPS tedy musí znát vlastnosti materiálu.

Požadavky na materiál pro RF desky

RF desky obvykle vyžadují vysokou frekvenci a vysoký výkon. Lidé si vybírají substrát s přesnou dielektrickou konstantou. Substrát by měl být stabilní a mít nízké ztráty. Také materiál musí fungovat při výrobě. Například musí zvládnout pájení při vysokých teplotách. Naše společnost často používá fr4, TACONIC a materiály od ROGERS pro RF základní materiál.

Vlastnosti FR-4

fr4 (nehořlavá epoxidová skleněná tkanina s měděným pláštěm) má dielektrickou konstantu Er testovanou při 1 GHz jako Er = 4,3 ± 0,2. Teplota skelného přechodu Tg je 135 °C. Pro běžné desky používáme dva druhy desek. Jedním je standardní materiál desky. Ten je levný a má vyzrálý proces. Druhá je UV deska, často nazývaná žlutá deska. Má UV-BLOCKING, který blokuje ultrafialové záření. Používáme ji pro vnější vrstvy. Její výkon je o něco lepší než u standardní desky.

Materiál TACONIC

TACONIC je známá značka. Má mnoho specifikací. Jeho cena je vyšší než u fr4.

Materiál ROGERS

Materiál ROGERS má vysokou přesnost dielektrické konstanty. Je teplotně stabilní a má nízké ztráty. Používáme jej pro obvody s vysokým výkonem. Výroba a postup výroby desek plošných spojů je podobný jako u fr4, takže náklady na výrobu jsou nízké. Přilnavost měděné fólie je však nízká.

Tabulka substrátů

RF problémy v návrhu DPS a jejich řešení

Obecně platí, že u obvodů s frekvencí nižší než mikrovlnná (sem patří nízkofrekvenční a nízkorychlostní digitální obvody) je prvním klíčem k úspěchu pečlivé rozvržení. Pokud znáte pravidla, můžete vytvořit dobrý návrh. U mikropáskových a vysokorychlostních digitálních obvodů na úrovni desek plošných spojů mohou být pro zajištění kvality obvodu zapotřebí dvě nebo tři verze desek plošných spojů. U VF obvodů s frekvencí nad mikrovlnami budete potřebovat více verzí, abyste zlepšili výkon. Při návrhu VF obvodů tedy budete čelit mnoha výzvám.

Níže uvádíme seznam běžných problémů a jejich řešení.

Běžné problémy při návrhu RF obvodů

1. Interference mezi digitálními a analogovými moduly
   Když analogové RF části a digitální části pracují samostatně, mohou každá z nich fungovat dobře. Když se však smíchají na jedné desce a sdílejí napájení, může být celý systém nestabilní. Digitální signály kolísají mezi zemí a Vcc o více než 3 V. Perioda může být krátká, v rozsahu nanosekund. Protože amplituda je velká a přepínání rychlé, obsahují digitální signály vysokofrekvenční složky, které nezávisí na spínacích hodinách. V analogové části, od laděné rádiové smyčky po přijímač, může být napětí menší než 1 μV. Rozdíl mezi malým VF signálem a digitálním šumem může být více než 120 dB. Pokud nejsou digitální signály odděleny od VF signálu, může dojít k poškození slabého VF signálu. Rádio může přestat pracovat nebo pracovat špatně.

2. Rušení šumem zdroje napájení
   VF obvody jsou citlivé na šum. Jsou citlivé na špičky a další vysokofrekvenční harmonické. Mikrokontrolér bude při každém interním hodinovém cyklu náhle odebírat velké množství proudu. Většina moderních mikrokontrolérů používá CMOS. Pokud mikrokontrolér běží s interními hodinami 1 MHz, bude touto frekvencí odebírat proud. Pokud nemáme dobré výkonové oddělení, vznikne na napájecích vodičích napěťový šum. Pokud se napěťové špičky dostanou na napájecí piny RF, může RF blok selhat.

3. Špatná konstrukce země
   Pokud není zem dobře navržena pro RF, může dojít k podivným výsledkům. V digitálním návrhu většina obvodů funguje, i když uzemnění není dokonalé. Ale v RF se i krátké zemnící vodiče chovají jako induktory. Například 1 nH indukčnosti se blíží délce 1 mm. Z toho můžeme odhadnout, že 10 mm dlouhá stopa na desce plošných spojů má reaktanci asi 27 ohmů. Pokud nemáme dobré uzemnění, bude mnoho zemnicích stop dlouhých a obvod si nezachová navržené vlastnosti.

4. Vyzařování antén rušící jiné analogové obvody
   V rozvržení desek plošných spojů jsou další analogové součástky. Mnoho desek má ADC nebo D/A převodníky. Silný VF signál z vysílače může dosáhnout vstupu ADC. Jakákoli stopa může fungovat jako anténa. Pokud vstup ADC nemá dobrou manipulaci, může se RF signál dostat do jeho ESD diody a způsobit offset nebo chyby ADC.

Principy a řešení návrhu RF obvodů

1. Definice RF layoutu

Při návrhu rozložení RF se řiďte těmito pravidly.

1. Vysoce výkonné zesilovače (HPA) a nízkošumové zesilovače (LNA) držte co nejdále od sebe. Vysílací části s vysokým výkonem umístěte daleko od přijímacích částí s nízkým výkonem.

2. V oblastech s vysokou frekvencí na desce plošných spojů mějte pod sebou alespoň jednu plnou zemnící rovinu a vyhněte se průchodům v ní. Čím větší je plocha mědi, tím lépe.

3. Stejně důležité je i oddělení obvodů a napájení.

4. RF výstupy umístěte mimo RF vstupy.

5. Citlivé analogové signály umístěte daleko od vysokorychlostních digitálních a RF signálů.

2. Pravidla pro navrhování fyzických oddílů a elektrických oddílů

Rozdělení znamená rozdělení desky podle funkce. Můžete provést fyzické rozdělení a elektrické rozdělení. Fyzické rozdělení se týká rozložení součástek, směru a stínění. Elektrické rozdělení se zabývá distribucí napájení, směrováním VF, citlivými součástmi, signály a zemními zónami.

a. Principy fyzikálního rozdělení

Rozložení součástek je klíčem k dobrému návrhu RF. Dobrou metodou je umístit součástky nejprve podél VF cesty. Poté nastavte jejich směr. Vstupy umístěte dále od výstupů. Součástky s vysokým a nízkým výkonem držte odděleně. To pomáhá zkrátit VF cesty.

b. Princip návrhu skládání desek plošných spojů

Při správném uspořádání je hlavní zemnící rovina umístěna ve vrstvě pod vrstvou stopy. VF stopy umístěte na rovinnou vrstvu. Průchodky na VF trasách jsou malé. Tím se sníží indukčnost cesty a omezí se studené pájecí spoje na hlavní zemi. Také méně RF energie bude unikat do dalších vrstev.

c. RF díly a principy RF trasování

V prostoru desky mohou lineární obvody, jako jsou vícestupňové zesilovače, oddělit RF zóny. Duplexery, směšovače a IF zesilovače však často způsobují, že se mnoho RF a IF signálů objevuje blízko sebe. Měli byste dbát na snížení tohoto propojení. VF a IF stopy veďte pečlivě a nechte mezi nimi prostor pro uzemnění. Správná RF trasa je pro výkon desky plošných spojů zásadní. Proto rozvržení součástek zabere většinu času při návrhu DPS telefonu.

d. Princip elektrického rozdělení

Většina napájení v telefonních obvodech je stejnosměrná, takže nepotřebujete speciální široké stopy. Pro napájení výkonných zesilovačů je však nutné vytvořit široké stopy pro velký proud. Tím se udržuje malý úbytek napětí. Použijte mnoho průchodek pro přesun proudu z jedné roviny do druhé, abyste zabránili proudovým ztrátám.

Důležité je výkonové oddělení výkonových částí. Pokud se vám nepodaří oddělit napájení na vývodu zesilovače s vysokým výkonem, může dojít k mnoha problémům. Vysoký výkonový šum se může šířit po celé desce. Uzemnění u výkonových zesilovačů je velmi důležité. Konstruktéři často potřebují kovové stínění může.

e. Princip izolace RF vstupu/výstupu

Je velmi důležité, aby se RF výstup nacházel mimo RF vstup. To platí pro zesilovače, buffery a filtry. V nejhorším případě, pokud se výstup zesilovače nebo bufferu vrátí na jeho vstup se správnou fází a amplitudou, může součástka přejít do samokmitání. V dobrém případě bude obvod stabilní při všech teplotách a napětích. Ve špatném případě bude do VF signálu přidávat šum a intermodulaci.

Souhrn

Stručně řečeno, VF obvody pracují s rozloženými parametry. Vykazují skin efekt a vazbu. Tím se liší od nízkofrekvenčních a stejnosměrných obvodů. Při návrhu VF desek plošných spojů se tedy musíte zaměřit na výše uvedené body. Pokud tak učiníte, bude návrh efektivní a přesný.

1. Pokud je to možné, udržujte stopy krátké. Krátké stopy snižují ztráty a nežádoucí reaktanci.

2. Použijte správný substrát pro potřebnou frekvenci. fr4 je pro mnoho případů vhodný. Pro nízké ztráty při vysokých frekvencích použijte Rogers nebo PTFE.

3. Kontrola impedance stop. Použijte správnou šířku, rozteč a uspořádání. Měření nebo výpočet pomocí nástrojů.

4. Digitální a rádiové části oddělujte. Každé části dejte vlastní zemní návrat. Použijte oddělování na napájecích pinech v blízkosti součástky.

5. Použijte zemní roviny a malé průchodky pro zpětný RF signál. Tím se sníží indukčnost.

6. V blízkosti citlivých částí umístěte filtry a stínění. Tím se sníží nežádoucí zachycení.

7. Testování pomocí prototypů. RF obvykle potřebuje několik kol rozvržení a ladění. Malé změny mohou mít velký vliv na vysoké frekvence.

8. Pro antény vyčleňte volný prostor a nepoužívejte kovové a jiné stopy. Pro přizpůsobení a ladění antén je často zapotřebí prostor na desce a testování.

9. Když vytváříte vysoce výkonné stopy, udělejte je široké a použijte mnoho průchodek pro přenos proudu mezi vrstvami.

Základní vzorce a pravidla pro kontrolu

1. Pomocí l/λ ≥ 0,05 zjistěte, zda stopa potřebuje distribuovaný model. l je geometrická délka. λ je pracovní vlnová délka v prostředí.

2. Pro rychlé zjištění indukčnosti je 1 nH přibližně 1 mm stopy. Pomocí této hodnoty můžete zkontrolovat, zda dlouhé zemnící dráhy zvyšují indukčnost.

3. Pro kontrolu impedance je třeba znát rozteč, šířku stopy, dielektrickou konstantu a vzdálenost od roviny. Pro získání přesných hodnot použijte řešič pole nebo kalkulačku impedance.