RF PCB ist eine Art von Leiterplatte (PCB), die für die Übertragung und Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen hergestellt wird. Diese Signale sind Hochfrequenzsignale. Sie haben in der Regel eine Frequenz von 300 kHz oder mehr und können bis zu 300 GHz betragen.

Hochfrequenz (RF) ist eine Bezeichnung für eine Gruppe von elektromagnetischen Wellen. Diese Bezeichnung wird verwendet, wenn die Wellen für die Funkkommunikation geeignet sind. Der Frequenzbereich für RF ist in den verschiedenen Büchern nicht immer gleich. In einigen Büchern heißt es, dass RF zwischen 30 MHz und 3 GHz liegt. In anderen heißt es, er reiche von 300 MHz bis 40 GHz. Diese Bereiche können sich mit dem Bereich überschneiden, der als Mikrowelle bezeichnet wird. Andere Bücher verwenden eine andere Aufteilung des Spektrums. Sie sagen, dass Wellen mit einer Wellenlänge von 1 Megameter bis 1 Meter zu einer Gruppe gehören. Das ergibt Frequenzen von 30 Hz bis 300 MHz. Die Grenze zwischen HF und Mikrowellen ist nicht ganz klar. Sie kann sich ändern, wenn Bauteile und Konstruktionsmethoden besser werden.

RF PCB und seine Hauptmerkmale

Wenn wir eine Leiterplatte für den HF-Einsatz entwerfen, müssen wir darüber nachdenken, wie sich Übertragungsleitungen verhalten. Für einen Draht oder eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte gibt es zwei Möglichkeiten, sie zu modellieren. Die eine ist das Modell mit vereinzelten Elementen. Die andere ist das Modell mit verteilten Parametern. Eine allgemeine Regel lautet wie folgt. Wenn die geometrische Länge l geteilt durch die Wellenlänge λ gleich oder größer als 0,05 ist, dann verwenden wir das Modell mit verteilten Parametern. In dieser Anmerkung bedeutet eine HF-Verbindung eine Schaltung, bei der die Übertragungsleitung das verteilte Modell benötigt. In der Praxis ist die Leiterbahnlänge selten länger als 50 cm. Wir können also von analogen Signalen bei 30 MHz ausgehen. Signale über 3 GHz werden oft als Mikrowellen bezeichnet. Für Produktionsgrenzen, bei denen der Abstand zwischen den Elementen 0,5 mm betragen kann, wird die obere Frequenz manchmal auf 30 GHz festgelegt. Das ist aber nicht immer sinnvoll.

Aus diesen Punkten können wir sagen, dass eine HF-Leiterplatte eine Leiterplatte für analoge Signale mit einer Frequenz von 30 MHz bis 6 GHz ist. Die Wahl zwischen einem "lumped" oder einem "distributed" Modell sollte sich nach der obigen Formel und der Arbeitsfrequenz richten.

Da die Dielektrizitätskonstante des Substrats in der Regel hoch ist, bewegen sich die Wellen auf der Leiterplatte langsamer als in der Luft. Dadurch wird die Wellenlänge auf der Leiterplatte kürzer. Für Mikrostreifen- und andere Leitungen muss das Substrat einen geringen dielektrischen Verlust aufweisen. Die Dielektrizitätskonstante sollte sich über den benötigten Frequenz- und Temperaturbereich nicht stark ändern. Das Substrat sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine glatte Oberfläche haben. Es muss gut auf dem Leiter haften.

Für das Metall auf der Leiterbahn benötigen wir eine hohe Leitfähigkeit. Das Metall sollte einen kleinen Temperaturkoeffizienten des Widerstands haben. Es sollte gut auf dem Substrat haften. Es sollte leicht zu löten sein.

Grundsätze für die Auswahl von RF-Plattenmaterial

Die Rolle des Substrats bei Mikrowellen-Leiterplatten

Eine Mikrowellen-Leiterplatte ist nicht nur ein Träger für Komponenten. Sie ist auch ein Medium für elektromagnetische Felder im Mikrowellenbereich. Für HF-Schaltungen ist daher ein Hochfrequenz- oder Mikrowellensubstrat die beste Wahl.

Kontrolle der Leiterbahnimpedanz

Auf einer HF-Leiterplatte müssen die gedruckten Leiterbahnen normalen Regeln wie der Strombelastbarkeit folgen. Darüber hinaus müssen wir die charakteristische Impedanz der Leiterbahnen kontrollieren. Die Leiterbahnen müssen in ihrer Impedanz aufeinander abgestimmt sein. Der Leiterplattenprozess muss also die Impedanz der Leiterbahnen kontrollieren. Die charakteristische Impedanz einer Leiterbahn hängt vom Leiterplattenmaterial und seinen physikalischen Parametern ab. Daher müssen Leiterplattendesigner die Leistungsfähigkeit des Materials kennen.

Materialanforderungen für RF-Platten

RF-Platinen benötigen in der Regel hohe Frequenzen und hohe Leistungen. Man wählt ein Substrat mit einer genauen Dielektrizitätskonstante. Das Substrat sollte stabil sein und einen geringen Verlust aufweisen. Außerdem muss das Material für die Produktion geeignet sein. Zum Beispiel muss es für das Reflow-Löten bei hohen Temperaturen geeignet sein. Unser Unternehmen verwendet häufig fr4, TACONIC und Materialien von ROGERS als HF-Basismaterial.

FR-4 Eigenschaften

fr4 (flammhemmendes kupferkaschiertes Epoxid-Glasgewebe) hat eine bei 1 GHz geprüfte Dielektrizitätskonstante von Er = 4,3 ± 0,2. Die Glasübergangstemperatur Tg beträgt 135 °C. Für gewöhnliche Platinen verwenden wir zwei Arten von Platten. Die eine ist Standardplattenmaterial. Es ist kostengünstig und hat einen ausgereiften Prozess. Die andere ist die UV-Platte, oft auch gelbe Platte genannt. Er verfügt über UV-BLOCKING, um die ultraviolette Strahlung zu blockieren. Wir verwenden ihn für die Außenschichten. Seine Leistung ist ein wenig besser als die der Standardplatte.

TACONIC-Material

TACONIC ist eine sehr bekannte Marke. Sie hat viele Spezifikationen. Sein Preis ist höher als fr4.

ROGERS-Material

ROGERS-Material hat eine hohe Genauigkeit der Dielektrizitätskonstante. Es ist temperaturstabil und hat einen geringen Verlust. Wir verwenden es für Schaltungen mit hoher Leistung. Die Herstellung und der Prozess der Leiterplatte ist ähnlich wie bei fr4, so dass die Herstellungskosten niedrig sind. Aber die Haftung der Kupferfolie ist gering.

Tabelle der Substrate

RF-Probleme beim PCB-Design und Lösungen

Im Allgemeinen ist bei Schaltungen mit Frequenzen unterhalb des Mikrowellenbereichs (dazu gehören auch digitale Schaltungen mit niedriger Frequenz und niedriger Geschwindigkeit) ein sorgfältiges Layout der erste Schlüssel zum Erfolg. Wenn man die Regeln kennt, kann man einen guten Entwurf machen. Für Mikrostreifen- und Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen auf PCB-Ebene können zwei oder drei PCB-Versionen erforderlich sein, um die Qualität der Schaltung sicherzustellen. Bei HF-Schaltungen mit Frequenzen über dem Mikrowellenbereich benötigen Sie mehr Versionen, um die Leistung zu verbessern. Beim Entwurf von HF-Schaltungen werden Sie also mit vielen Herausforderungen konfrontiert.

Nachstehend finden Sie eine Liste der häufigsten Probleme und Lösungen.

Häufige Probleme beim Entwurf von RF-Schaltungen

1. Interferenzen zwischen digitalen und analogen Modulen
   Wenn analoge HF-Teile und digitale Teile allein arbeiten, kann jedes für sich gut funktionieren. Wenn sie sich jedoch auf derselben Platine befinden und gemeinsam mit Strom versorgt werden, kann das gesamte System instabil werden. Digitale Signale schwanken zwischen Masse und Vcc um mehr als 3 V. Die Periode kann kurz sein, im Nanosekundenbereich. Da die Amplitude groß ist und die Umschaltung schnell erfolgt, enthalten digitale Signale Hochfrequenzkomponenten, die nicht vom Schalttakt abhängen. Im analogen Teil, von einer abgestimmten Funkschleife bis zu einem Empfänger, kann die Spannung weniger als 1 μV betragen. Der Unterschied zwischen dem kleinen HF-Signal und dem digitalen Rauschen kann mehr als 120 dB betragen. Wenn digitale Signale nicht von HF getrennt werden, kann das schwache HF-Signal beschädigt werden. Das Funkgerät funktioniert dann möglicherweise nicht mehr oder nur noch schlecht.

2. Rauschstörungen der Stromversorgung
   HF-Schaltungen sind empfindlich gegenüber Rauschen. Sie sind empfindlich gegenüber Spannungsspitzen und anderen hochfrequenten Oberwellen. Ein Mikrocontroller wird bei jedem internen Taktzyklus plötzlich viel Strom verbrauchen. Die meisten modernen Mikrocontroller verwenden CMOS. Wenn ein Mikrocontroller mit einem internen Takt von 1 MHz läuft, wird er mit dieser Rate Strom verbrauchen. Wenn wir keine gute Leistungsentkopplung haben, kommt es zu Spannungsstörungen auf den Stromleitungen. Wenn Spannungsspitzen an die HF-Stromversorgungspins gelangen, kann der HF-Block ausfallen.

3. Schlechte Bodengestaltung
   Wenn die Masse nicht gut für HF ausgelegt ist, kann es zu seltsamen Ergebnissen kommen. Beim digitalen Design funktionieren die meisten Schaltungen auch dann, wenn die Masse nicht perfekt ist. Aber im HF-Bereich wirken selbst kurze Erdungsleitungen wie Induktivitäten. Eine Induktivität von 1 nH entspricht zum Beispiel einer Länge von fast 1 mm. Daraus lässt sich ableiten, dass eine 10 mm lange Leiterbahn einen Blindwiderstand von etwa 27 Ohm hat. Wenn wir keine gute Erdung haben, werden viele Erdungsleitungen lang sein und die Schaltung wird ihre geplanten Eigenschaften nicht einhalten.

4. Antennenstrahlung, die andere analoge Schaltungen stört
   Im PCB-Layout gibt es weitere analoge Bauteile. Viele Platinen haben ADCs oder DACs. Ein starkes HF-Signal von einem Sender kann den ADC-Eingang erreichen. Jede Leiterbahn kann wie eine Antenne wirken. Wenn der ADC-Eingang nicht gut behandelt wird, kann das HF-Signal in die ESD-Diode eindringen und einen ADC-Offset oder Fehler verursachen.

RF-Schaltungsentwurfsprinzipien und Lösungen

1. Definition des RF-Layouts

Befolgen Sie diese Regeln, wenn Sie ein RF-Layout entwerfen.

1. Halten Sie Hochleistungsverstärker (HPAs) und rauscharme Verstärker (LNAs) so weit wie möglich auseinander. Bringen Sie Teile mit hoher Sendeleistung weit entfernt von Teilen mit niedriger Leistung unter.

2. In Hochfrequenzbereichen auf der Leiterplatte sollte mindestens eine vollständige Massefläche vorhanden sein und Durchkontaktierungen vermieden werden. Je größer die Kupferfläche, desto besser.

3. Schaltung und Leistungsentkopplung sind gleichermaßen wichtig.

4. Platzieren Sie die HF-Ausgänge entfernt von den HF-Eingängen.

5. Stellen Sie empfindliche analoge Signale weit weg von digitalen und HF-Signalen mit hoher Geschwindigkeit.

2. Regeln für die Gestaltung von physischen und elektrischen Trennwänden

Partitionierung bedeutet die Aufteilung der Platine nach Funktionen. Sie können eine physische und eine elektrische Partitionierung vornehmen. Bei der physischen Partition geht es um das Layout der Bauteile, die Richtung und die Abschirmungen. Bei der elektrischen Partition geht es um Stromverteilung, HF-Routing, empfindliche Teile, Signale und Massezonen.

a. Physikalische Trennungsprinzipien

Die Anordnung der Bauteile ist der Schlüssel zu einem guten HF-Design. Eine gute Methode besteht darin, die Bauteile zunächst entlang des HF-Pfads zu platzieren. Legen Sie dann ihre Richtung fest. Platzieren Sie die Eingänge von den Ausgängen entfernt. Halten Sie Teile mit hoher und niedriger Leistung voneinander getrennt. Dies hilft, die HF-Pfade zu verkürzen.

b. Prinzip des Leiterplattenaufbaus

Bei einem guten Stackup befindet sich die Haupterdungsebene auf der Ebene unterhalb der Leiterbahnlage. Legen Sie HF-Leiterbahnen auf die Ebene. Machen Sie Durchkontaktierungen auf HF-Pfaden klein. Dies verringert die Pfadinduktivität und reduziert kalte Lötstellen auf der Haupterde. Außerdem dringt weniger HF-Energie in andere Lagen ein.

c. RF-Bauteile und RF-Leiterbahnprinzipien

Auf der Platine können lineare Schaltungen wie mehrstufige Verstärker HF-Zonen trennen. Aber Duplexer, Mischer und ZF-Verstärker lassen oft viele HF- und ZF-Signale nahe beieinander erscheinen. Sie sollten darauf achten, diese Kopplung zu verringern. Verlegen Sie HF- und ZF-Leiterbahnen sorgfältig und lassen Sie zwischen ihnen einen Masseabstand. Der richtige HF-Pfad ist entscheidend für die Leistung der Leiterplatte. Deshalb nimmt das Bauteillayout die meiste Zeit beim Design von Telefonleiterplatten in Anspruch.

d. Elektrisches Trennwandprinzip

Die meiste Leistung in Telefonschaltungen ist ein niedriger Gleichstrom, so dass Sie keine besonders breiten Leiterbahnen benötigen. Aber für die Versorgung von Hochleistungsverstärkern müssen Sie breite Leiterbahnen für hohe Ströme verwenden. Dadurch wird der Spannungsabfall gering gehalten. Verwenden Sie viele Durchkontaktierungen, um den Strom von einer Ebene zur anderen zu leiten und so Stromverluste zu vermeiden.

Die Leistungsentkopplung für Leistungsteile ist wichtig. Wenn Sie es versäumen, die Leistung an einem Hochleistungsverstärker-Pin zu entkoppeln, können viele Probleme auftreten. Rauschen mit hoher Leistung kann über die gesamte Platine abgestrahlt werden. Die Erdung von Hochleistungsverstärkern ist sehr wichtig. Konstrukteure benötigen oft eine Metallabschirmung.

e. RF-Eingangs-/Ausgangs-Isolationsprinzip

Es ist sehr wichtig, den HF-Ausgang vom HF-Eingang fernzuhalten. Dies gilt für Verstärker, Puffer und Filter. Im schlimmsten Fall, wenn der Ausgang des Verstärkers oder Puffers mit der richtigen Phase und Amplitude an den Eingang zurückkommt, kann das Teil in Selbstoszillation geraten. Im guten Fall ist die Schaltung bei allen Temperaturen und Spannungen stabil. Im ungünstigen Fall werden dem HF-Signal Rauschen und Intermodulation hinzugefügt.

Zusammenfassung

Kurz gesagt: HF-Schaltungen arbeiten mit verteilten Parameterleitungen. Sie weisen Skin-Effekt und Kopplung auf. Dadurch unterscheiden sie sich von Niederfrequenz- und Gleichstromschaltungen. Beim Entwurf von HF-Leiterplatten müssen Sie sich also auf die oben genannten Punkte konzentrieren. Wenn Sie das tun, wird das Design effektiv und genau sein.

1. Halten Sie die Leiterbahnen so kurz wie möglich. Kurze Leiterbahnen verringern Verluste und unerwünschte Reaktanzen.

2. Verwenden Sie das richtige Substrat für die benötigte Frequenz. fr4 ist für viele Fälle in Ordnung. Verwenden Sie Rogers oder PTFE für geringe Verluste bei hohen Frequenzen.

3. Kontrollieren Sie die Impedanz der Leiterbahnen. Verwenden Sie die richtige Breite, den richtigen Abstand und die richtige Stapelung. Messen oder berechnen Sie mit Werkzeugen.

4. Trennen Sie digitale und HF-Teile. Geben Sie jedem Teil eine eigene Masse-Rückleitung. Verwenden Sie eine Entkopplung an den Stromanschlüssen in der Nähe des Bauteils.

5. Verwenden Sie Masseflächen und kleine Durchkontaktierungen für die HF-Rückleitung. Dies senkt die Induktivität.

6. Bringen Sie Filter und Abschirmungen in der Nähe empfindlicher Teile an. Dies verringert die unerwünschte Aufnahme.

7. Testen Sie mit Prototypen. RF erfordert in der Regel mehrere Layout- und Abstimmungsrunden. Kleine Änderungen können bei hohen Frequenzen große Auswirkungen haben.

8. Für Antennen ist eine freie Fläche vorzusehen, und Metall und andere Leiterbahnen sind fernzuhalten. Antennenanpassung und -abstimmung benötigen oft Platz auf der Platine und müssen getestet werden.

9. Wenn Sie Leiterbahnen für hohe Leistungen herstellen, sollten Sie diese breit machen und viele Durchkontaktierungen verwenden, um den Strom zwischen den Schichten zu leiten.

Grundlegende Formeln und Regeln zur Überprüfung

1. Verwenden Sie l/λ ≥ 0,05, um festzustellen, ob eine Kurve ein verteiltes Modell benötigt. l ist die geometrische Länge. λ ist die Arbeitswellenlänge im Medium.

2. Um die Induktivität schnell zu erfassen, entspricht 1 nH etwa 1 mm Leiterbahnlänge. Verwenden Sie dies, um zu prüfen, ob lange Erdungen die Induktivität erhöhen.

3. Für die Impedanzkontrolle müssen Sie die Stapelung, Leiterbahnbreite, Dielektrizitätskonstante und den Abstand zur Ebene kennen. Verwenden Sie einen Feldlöser oder Impedanzrechner, um genaue Werte zu erhalten.