RF PCB er en type printkort (PCB), der er lavet til at bære og håndtere radiofrekvenssignaler. Disse signaler er højfrekvente. De har normalt en frekvens på 300 kHz eller derover og op til 300 GHz.

Radiofrekvens, eller RF, er et navn for en gruppe elektromagnetiske bølger. Folk bruger dette navn, når bølgerne kan bruges til radiokommunikation. Frekvensområdet for RF er ikke altid det samme i forskellige bøger. I nogle bøger står der, at RF er fra 30 MHz til 3 GHz. Andre siger, at det er fra 300 MHz til 40 GHz. Disse områder kan overlappe med det område, der kaldes mikrobølger. Andre bøger bruger en anden måde at opdele spektret på. De siger, at bølger med en bølgelængde fra 1 megameter til 1 meter er i en gruppe. Det giver frekvenser fra 30 Hz til 300 MHz. Grænsen mellem RF og mikrobølger er ikke helt klar. Grænsen kan ændre sig i takt med, at dele og designmetoder bliver bedre.

RF PCB og dets vigtigste funktioner

Når vi designer et printkort til RF-brug, skal vi tænke på, hvordan transmissionslinjer opfører sig. En ledning eller et spor på et printkort kan modelleres på to måder. Den ene er modellen med klumpede elementer. Den anden er den distribuerede parametermodel. En almindelig regel er denne. Hvis den geometriske længde l divideret med bølgelængden λ er lig med eller større end 0,05, så bruger vi den distribuerede model. I denne note betyder et RF-link et kredsløb, hvor transmissionslinjen har brug for den distribuerede model. I praksis er PCB-sporlængden sjældent længere end 50 cm. Så vi kan starte med analoge signaler ved 30 MHz. Signaler over 3 GHz kaldes ofte mikrobølger. Af hensyn til produktionsgrænser, hvor elementafstanden kan være 0,5 mm, sætter folk nogle gange topfrekvensen til 30 GHz. Men det er ikke altid brugbart.

Ud fra disse punkter kan vi sige, at et RF-printkort er et printkort til analoge signaler med en frekvens på ca. 30 MHz til 6 GHz. Valget mellem klumpet eller distribueret model skal følge formlen ovenfor og arbejdsfrekvensen.

Fordi substratets dielektriske konstant normalt er høj, bevæger bølgerne sig langsommere i pladen end i luft. Det gør bølgelængden kortere på pladen. Til mikrostrip og andre linjer skal substratet have et lavt dielektrisk tab. Den dielektriske konstant bør ikke ændre sig meget over det nødvendige frekvens- og temperaturområde. Substratet skal have en god varmeledningsevne og en glat overflade. Det skal klæbe godt til lederen.

Til metallet på sporet har vi brug for høj ledningsevne. Metallet skal have en lille temperaturkoefficient for modstand. Det skal sidde godt fast på underlaget. Det skal være let at lodde.

Principper for valg af RF-kortmateriale

Substratets rolle i mikrobølge-PCB'er

Et mikrobølgefrekvens-printkort er ikke kun en støtte for komponenter. Det er også et medium for elektromagnetiske mikrobølgefelter. Så til RF-kredsløb er det bedste valg et højfrekvens- eller mikrobølgesubstrat.

Kontrol af sporingsimpedans

På et RF-printkort skal de trykte spor følge normale regler som strømkapacitet. Derudover skal vi kontrollere sporets karakteristiske impedans. Sporene skal matches i impedans. Så PCB-processen skal kontrollere sporimpedansen. En spors karakteristiske impedans afhænger af printmaterialet og dets fysiske parametre. Så PCB-designere skal kende materialets ydeevne.

Materialekrav til RF-kort

RF-kort har normalt brug for høj frekvens og høj ydeevne. Folk vælger substrat med nøjagtig dielektrisk konstant. Underlaget skal være stabilt og have lavt tab. Materialet skal også fungere i produktionen. Det skal f.eks. kunne håndtere reflow-lodning ved høj temperatur. Vores virksomhed bruger ofte fr4, TACONIC og materialer fra ROGERS til RF-basismateriale.

FR-4 egenskaber

fr4 (flammehæmmende kobberbelagt epoxyglasstof) har en dielektrisk konstant Er testet ved 1 GHz som Er = 4,3 ± 0,2. Glasovergangstemperaturen Tg er 135 °C. Til almindelige plader bruger vi to slags plader. Den ene er standardkortmateriale. Det er billigt og har en moden proces. Den anden er UV-plade, ofte kaldet gul plade. Det har UV-BLOCKING til at blokere ultraviolet. Vi bruger det til de ydre lag. Dens ydeevne er lidt bedre end standardpladen.

TACONIC-materiale

TACONIC er et velkendt mærke. Det har mange specifikationer. Prisen er højere end fr4.

ROGERS-materiale

ROGERS-materialet har en høj nøjagtighed i den dielektriske konstant. Det er temperaturstabilt og har lavt tab. Vi bruger det til kredsløb med høj effekt. PCB-fremstillingen og -processen ligner fr4, så fremstillingsomkostningerne er lave. Men kobberfoliens vedhæftning er lav.

Bord med underlag

RF-problemer i PCB-design og -løsninger

Generelt gælder det for kredsløb med frekvenser under mikrobølger (det gælder også lavfrekvente og digitale kredsløb med lav hastighed), at et omhyggeligt layout er den første nøgle til succes. Hvis du kender reglerne, kan du lave et godt design. For mikrostrip- og højhastighedsdigitalkredsløb på PCB-niveau kan det være nødvendigt med to eller tre PCB-versioner for at sikre kredsløbets kvalitet. For RF-kredsløb med frekvenser over mikrobølgeovnen skal du bruge flere versioner for at forbedre ydeevnen. Så du vil stå over for mange udfordringer under design af RF-kredsløb.

Her er en liste over almindelige problemer og løsninger.

Almindelige problemer i design af RF-kredsløb

1. Interferens mellem digitale og analoge moduler
   Når analoge RF-dele og digitale dele arbejder alene, kan de hver især fungere godt. Men når de blandes på samme kort og deler strøm, kan hele systemet blive ustabilt. Digitale signaler svinger mellem jord og Vcc med mere end 3 V. Perioden kan være kort, i størrelsesordenen nanosekunder. Fordi amplituden er stor, og skiftet er hurtigt, indeholder digitale signaler højfrekvente komponenter, som ikke afhænger af switching-uret. I den analoge del, fra en tunet radiosløjfe til en modtager, kan spændingen være mindre end 1 μV. Forskellen mellem det lille RF-signal og den digitale støj kan være mere end 120 dB. Hvis digitale signaler ikke holdes væk fra RF, kan det svage RF-signal blive beskadiget. Radioen kan holde op med at fungere eller fungere dårligt.

2. Støjinterferens i strømforsyningen
   RF-kredsløb er følsomme over for støj. De er følsomme over for spidser og andre højfrekvente overtoner. En mikrocontroller vil pludselig trække meget strøm ved hver intern clockcyklus. De fleste moderne mikrocontrollere bruger CMOS. Hvis en mikrocontroller kører med 1 MHz internt ur, vil den trække strøm ved den hastighed. Hvis vi ikke har en god strømafkobling, får vi spændingsstøj på strømledningerne. Hvis der kommer spændingsspidser til RF-strømstifterne, kan RF-blokken svigte.

3. Dårligt design af jorden
   Hvis jorden ikke er godt designet til RF, kan der ske mærkelige resultater. I digitalt design fungerer de fleste kredsløb stadig, selv om jorden ikke er perfekt. Men i RF fungerer selv korte jordledninger som induktorer. For eksempel er 1 nH induktans tæt på 1 mm i længden. Ud fra det kan vi gætte på, at et 10 mm langt PCB-spor har en reaktans på ca. 27 ohm. Hvis vi ikke har en god jordforbindelse, vil mange jordspor være lange, og kredsløbet vil ikke holde sine designede egenskaber.

4. Antennestråling, der forstyrrer andre analoge kredsløb
   I PCB-layout er der andre analoge dele. Mange print har ADC'er eller DAC'er. Et stærkt RF-signal fra en sender kan nå ADC-indgangen. Ethvert spor kan fungere som en antenne. Hvis ADC-indgangen ikke har en god håndtering, kan RF gå ind i dens ESD-diode og forårsage ADC-offset eller -fejl.

Principper og løsninger for design af RF-kredsløb

1. Definition af RF-layout

Følg disse regler, når du designer RF-layout.

1. Hold højeffektforstærkere (HPA'er) og lavstøjsforstærkere (LNA'er) så langt fra hinanden som muligt. Placer sendedele med høj effekt langt fra modtagedele med lav effekt.

2. I højfrekvensområder på printet skal der være mindst et fuldt jordplan under, og man skal undgå vias i det. Jo større kobberareal, desto bedre.

3. Afkobling af kredsløb og strøm er lige så vigtigt.

4. Placer RF-udgange væk fra RF-indgange.

5. Sæt følsomme analoge signaler langt fra højhastighedsdigitale og RF-signaler.

2. Designregler for fysisk og elektrisk opdeling

Partition betyder at opdele kortet efter funktion. Du kan lave fysisk partition og elektrisk partition. Fysisk partition handler om del-layout, retning og afskærmning. Elektrisk opdeling handler om strømfordeling, RF-routing, følsomme dele, signaler og jordzoner.

a. Principper for fysisk opdeling

Del-layout er nøglen til et godt RF-design. En god metode er at placere delene langs RF-stien først. Indstil derefter deres retning. Placer indgange væk fra udgange. Hold dele med høj effekt og dele med lav effekt adskilt. Det er med til at forkorte RF-stierne.

b. Princip for PCB-stackup-design

En god opstilling placerer hovedjordplanet på laget under sporlaget. Læg RF-spor på planlaget. Gør vias på RF-stier små. Det reducerer stiinduktansen og reducerer kolde lodninger på hovedjordingen. Der vil også lække mindre RF-energi til andre lag.

c. RF-dele og RF-sporprincipper

På tavlen kan lineære kredsløb som flertrinsforstærkere adskille RF-zoner. Men duplexere, mixere og IF-forstærkere får ofte mange RF- og IF-signaler til at optræde tæt på hinanden. Du bør sørge for at mindske denne kobling. Før RF- og IF-spor omhyggeligt, og lad der være jord mellem dem. Den rigtige RF-vej er afgørende for PCB'ets ydeevne. Derfor tager delelayout det meste af tiden i design af telefonprintkort.

d. Princippet om elektrisk skillevæg

Det meste strøm i telefonkredsløb er lav DC, så du behøver ikke specielt brede ledninger. Men til strøm til højeffektforstærkere skal man lave brede ledninger til høj strøm. Det holder spændingsfaldet lille. Brug mange vias til at flytte strømmen fra et plan til et andet for at undgå strømtab.

Effektafkobling til effektdele er vigtig. Hvis man undlader at afkoble effekten ved en høj effektforstærkers pin, kan der opstå mange problemer. Støj med høj effekt kan stråle ud over hele kortet. Jordforbindelse til højeffektforstærkere er meget vigtig. Designere har ofte brug for en metalafskærmning.

e. Princip for isolering af RF-input/output

Det er meget vigtigt at holde RF-udgang væk fra RF-indgang. Dette gælder for forstærkere, buffere og filtre. I værste fald, hvis forstærkerens eller bufferens udgang kommer tilbage til indgangen med den rigtige fase og amplitude, kan delen gå i selvoscillation. I gode tilfælde vil kredsløbet være stabilt ved alle temperaturer og spændinger. I det dårlige tilfælde vil det tilføje støj og intermodulation til RF-signalet.

Sammenfatning

Kort sagt arbejder RF-kredsløb med distribuerede parameterlinjer. De udviser skin-effekt og kobling. Det gør dem forskellige fra lavfrekvens- og jævnstrømskredsløb. Så i RF PCB-design skal du fokusere på ovenstående punkter. Hvis du gør det, bliver designet effektivt og præcist.

1. Hold sporene korte, når det er muligt. Korte spor reducerer tab og uønsket reaktans.

2. Brug det rigtige substrat til den nødvendige frekvens. fr4 er okay i mange tilfælde. Brug Rogers eller PTFE til lavt tab ved høje frekvenser.

3. Kontroller impedansen af sporene. Brug den rigtige bredde, afstand og stabling. Mål eller beregn med værktøjer.

4. Hold digitale og RF-dele adskilt. Giv hver sektion sin egen jordforbindelse. Brug afkobling ved strømstifter tæt på delen.

5. Brug stelplader og små vias til RF-retur. Det sænker induktansen.

6. Placer filtre og afskærmning i nærheden af følsomme dele. Det mindsker uønsket opsamling.

7. Test med prototyper. RF har normalt brug for flere runder med layout og tune. Små ændringer kan have stor effekt ved høje frekvenser.

8. Til antenner skal du give et frit område og holde metal og andre spor væk. Antennematchning og -indstilling kræver ofte plads på tavlen og test.

9. Når du laver højeffektbaner, skal du gøre dem brede og bruge mange vias til at føre strøm mellem lagene.

Grundlæggende formler og regler, der skal kontrolleres

1. Brug l/λ ≥ 0,05 til at se, om et spor har brug for en distribueret model. l er geometrisk længde. λ er arbejdsbølgelængde i mediet.

2. For at få en hurtig fornemmelse af induktansen svarer 1 nH til ca. 1 mm spor. Brug dette til at tjekke, om lange jordforbindelser tilføjer induktans.

3. For at kontrollere impedansen skal du kende stackup, sporbredde, dielektrisk konstant og afstand til planet. Brug en field solver eller impedansberegner for at få nøjagtige værdier.