Η πλακέτα RF είναι ένας τύπος πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) που κατασκευάζεται για τη μεταφορά και το χειρισμό σημάτων ραδιοσυχνοτήτων. Τα σήματα αυτά είναι υψηλής συχνότητας. Συνήθως έχουν συχνότητα ίση ή μεγαλύτερη από 300 kHz και έως 300 GHz.

Η ραδιοσυχνότητα ή RF είναι η ονομασία μιας ομάδας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν αυτή την ονομασία όταν τα κύματα μπορούν να λειτουργήσουν για ραδιοεπικοινωνία. Το εύρος της συχνότητας για RF δεν είναι πάντα το ίδιο σε διαφορετικά βιβλία. Ορισμένα βιβλία λένε ότι η RF είναι από 30 MHz έως 3 GHz. Κάποια άλλα λένε ότι είναι από 300 MHz έως 40 GHz. Αυτές οι περιοχές μπορεί να επικαλύπτονται με την περιοχή που ονομάζεται μικροκύματα. Κάποια άλλα βιβλία χρησιμοποιούν διαφορετικό τρόπο διαχωρισμού του φάσματος. Λένε ότι τα κύματα με μήκος κύματος από 1 μεγαμέτρο έως 1 μέτρο ανήκουν σε μια ομάδα. Αυτό δίνει συχνότητες από 30 Hz έως 300 MHz. Η διαχωριστική γραμμή μεταξύ RF και μικροκυμάτων δεν είναι πολύ σαφής. Η γραμμή μπορεί να αλλάξει καθώς τα εξαρτήματα και οι μέθοδοι σχεδιασμού βελτιώνονται.

PCB RF και τα κύρια χαρακτηριστικά του

Όταν σχεδιάζουμε ένα PCB για χρήση RF, πρέπει να σκεφτούμε πώς συμπεριφέρονται οι γραμμές μεταφοράς. Για ένα καλώδιο ή ίχνος σε ένα PCB, μπορούμε να το μοντελοποιήσουμε με δύο τρόπους. Ο ένας είναι το μοντέλο με μοναδιαία στοιχεία. Ο άλλος είναι το μοντέλο κατανεμημένων παραμέτρων. Ένας κοινός κανόνας είναι ο εξής. Εάν το γεωμετρικό μήκος l διαιρεμένο με το μήκος κύματος λ είναι ίσο ή μεγαλύτερο από 0,05, τότε χρησιμοποιούμε το μοντέλο κατανεμημένων παραμέτρων. Σε αυτό το σημείωμα, ως ζεύξη RF νοείται ένα κύκλωμα όπου η γραμμή μεταφοράς χρειάζεται το κατανεμημένο μοντέλο. Στην πράξη, το μήκος των ιχνών PCB σπάνια είναι μεγαλύτερο από 50 cm. Έτσι μπορούμε να ξεκινήσουμε από αναλογικά σήματα στα 30 MHz. Τα σήματα άνω των 3 GHz συχνά ονομάζονται μικροκυματικά. Για τα όρια παραγωγής όπου η απόσταση των στοιχείων μπορεί να είναι 0,5 mm, οι άνθρωποι μερικές φορές θέτουν την ανώτατη συχνότητα στα 30 GHz. Αυτό όμως δεν είναι πάντα χρήσιμο.

Από αυτά τα σημεία, μπορούμε να πούμε ότι μια πλακέτα RF είναι μια πλακέτα για αναλογικά σήματα με συχνότητα περίπου 30 MHz έως 6 GHz. Η επιλογή μεταξύ του μοναδιαίου ή του κατανεμημένου μοντέλου θα πρέπει να ακολουθεί τον παραπάνω τύπο και τη συχνότητα εργασίας.

Επειδή η διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος είναι συνήθως υψηλή, τα κύματα κινούνται πιο αργά στην πλακέτα απ' ό,τι στον αέρα. Αυτό καθιστά το μήκος κύματος μικρότερο στην πλακέτα. Για τις γραμμές μικροταινίας και άλλες γραμμές, το υπόστρωμα πρέπει να έχει χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες. Η διηλεκτρική σταθερά δεν θα πρέπει να μεταβάλλεται πολύ κατά τη διάρκεια του απαιτούμενου εύρους συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Το υπόστρωμα πρέπει να έχει καλή θερμική αγωγιμότητα και λεία επιφάνεια. Πρέπει να κολλάει καλά στον αγωγό.

Για το μέταλλο στο ίχνος χρειαζόμαστε υψηλή αγωγιμότητα. Το μέταλλο πρέπει να έχει μικρό συντελεστή αντίστασης θερμοκρασίας. Θα πρέπει να κολλάει καλά στο υπόστρωμα. Θα πρέπει να συγκολλάται εύκολα.

Αρχές για την επιλογή υλικού πλακέτας RF

Ο ρόλος του υποστρώματος στα μικροκυματικά PCBs

Μια πλακέτα μικροκυματικών συχνοτήτων δεν είναι μόνο ένα στήριγμα για εξαρτήματα. Είναι επίσης ένα μέσο για τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία μικροκυμάτων. Έτσι, για κυκλώματα RF η καλύτερη επιλογή είναι το υπόστρωμα υψηλής συχνότητας ή το υπόστρωμα ποιότητας μικροκυμάτων.

Έλεγχος σύνθετης αντίστασης ιχνών

Σε μια πλακέτα RF τα τυπωμένα ίχνη πρέπει να ακολουθούν τους συνήθεις κανόνες, όπως η χωρητικότητα ρεύματος. Επιπλέον, πρέπει να ελέγχουμε τη χαρακτηριστική αντίσταση των ιχνών. Τα ίχνη πρέπει να είναι προσαρμοσμένα ως προς τη σύνθετη αντίσταση. Επομένως, η διαδικασία PCB πρέπει να ελέγχει τη σύνθετη αντίσταση των ιχνών. Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση ενός ίχνους εξαρτάται από το υλικό της PCB και τις φυσικές παραμέτρους της. Επομένως, οι σχεδιαστές PCB πρέπει να γνωρίζουν την απόδοση του υλικού.

Απαιτήσεις υλικών για πλακέτες RF

Οι πλακέτες RF χρειάζονται συνήθως υψηλή συχνότητα και υψηλές επιδόσεις. Οι άνθρωποι επιλέγουν υπόστρωμα με ακριβή διηλεκτρική σταθερά. Το υπόστρωμα πρέπει να είναι σταθερό και να έχει χαμηλές απώλειες. Επίσης, το υλικό πρέπει να λειτουργεί με την παραγωγή. Για παράδειγμα, πρέπει να αντέχει συγκόλληση επαναρροής σε υψηλή θερμοκρασία. Η εταιρεία μας χρησιμοποιεί συχνά fr4, TACONIC και υλικά από την ROGERS για υλικό βάσης RF.

Χαρακτηριστικά FR-4

Το fr4 (ύφασμα εποξειδικού γυαλιού με επικάλυψη χαλκού επιβραδυντικό φλόγας) έχει διηλεκτρική σταθερά Er δοκιμασμένη στο 1 GHz ως Er = 4,3 ± 0,2. Η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης Tg είναι 135 °C. Για τις κοινές πλακέτες χρησιμοποιούμε δύο είδη πλακών. Το ένα είναι το τυπικό υλικό πλακέτας. Αυτό είναι χαμηλού κόστους και έχει ώριμη διαδικασία. Το άλλο είναι η πλακέτα UV, συχνά αποκαλούμενη κίτρινη πλακέτα. Διαθέτει UV-BLOCKING για τον αποκλεισμό της υπεριώδους ακτινοβολίας. Το χρησιμοποιούμε για τα εξωτερικά στρώματα. Η απόδοσή της είναι λίγο καλύτερη από την τυπική πλάκα.

TACONIC υλικό

TACONIC είναι ένα πολύ γνωστό εμπορικό σήμα. Έχει πολλές προδιαγραφές. Η τιμή του είναι υψηλότερη από το fr4.

Υλικό ROGERS

Το υλικό ROGERS έχει υψηλή ακρίβεια διηλεκτρικής σταθεράς. Είναι σταθερό με τη θερμοκρασία και έχει χαμηλές απώλειες. Το χρησιμοποιούμε για κυκλώματα υψηλής ισχύος. Η κατασκευή και η διαδικασία PCB είναι παρόμοια με το fr4, οπότε το κόστος κατασκευής είναι χαμηλό. Αλλά η πρόσφυση του φύλλου χαλκού είναι χαμηλή.

Πίνακας υποστρώματος

Ζητήματα RF στο σχεδιασμό PCB και λύσεις

Σε γενικές γραμμές, για κυκλώματα με συχνότητα κάτω των μικροκυμάτων (αυτό περιλαμβάνει ψηφιακά κυκλώματα χαμηλής συχνότητας και χαμηλής ταχύτητας), η προσεκτική διάταξη είναι το πρώτο κλειδί για την επιτυχία. Αν γνωρίζετε τους κανόνες, μπορείτε να κάνετε μια καλή σχεδίαση. Για κυκλώματα μικροταινίας και ψηφιακά κυκλώματα υψηλής ταχύτητας σε επίπεδο PCB, μπορεί να χρειαστούν δύο ή τρεις εκδόσεις PCB για να διασφαλιστεί η ποιότητα του κυκλώματος. Για κυκλώματα RF με συχνότητα πάνω από μικροκύματα, θα χρειαστείτε περισσότερες εκδόσεις για να βελτιώσετε την απόδοση. Έτσι θα αντιμετωπίσετε πολλές προκλήσεις κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού κυκλωμάτων RF.

Παρακάτω παραθέτουμε τα συνήθη προβλήματα και τις λύσεις.

Συνήθη προβλήματα στη σχεδίαση κυκλωμάτων RF

1. Παρεμβολές μεταξύ ψηφιακών και αναλογικών μονάδων
   Όταν τα αναλογικά τμήματα RF και τα ψηφιακά τμήματα λειτουργούν μόνα τους, το καθένα μπορεί να λειτουργήσει καλά. Όταν όμως αναμειγνύονται στην ίδια πλακέτα και μοιράζονται την τροφοδοσία, ολόκληρο το σύστημα μπορεί να γίνει ασταθές. Τα ψηφιακά σήματα ταλαντεύονται μεταξύ γείωσης και Vcc κατά περισσότερο από 3 V. Η περίοδος μπορεί να είναι σύντομη, στην περιοχή των νανοδευτερολέπτων. Επειδή το πλάτος είναι μεγάλο και η μεταγωγή είναι γρήγορη, τα ψηφιακά σήματα περιλαμβάνουν στοιχεία υψηλής συχνότητας που δεν εξαρτώνται από το ρολόι μεταγωγής. Στο αναλογικό μέρος, από έναν συντονισμένο ραδιοφωνικό βρόχο σε έναν δέκτη, η τάση μπορεί να είναι μικρότερη από 1 μV. Η διαφορά μεταξύ του μικρού σήματος RF και του ψηφιακού θορύβου μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 120 dB. Εάν τα ψηφιακά σήματα δεν κρατηθούν μακριά από το RF, το ασθενές σήμα RF μπορεί να υποστεί βλάβη. Το ραδιόφωνο μπορεί να σταματήσει να λειτουργεί ή να λειτουργεί άσχημα.

2. Παρεμβολή θορύβου τροφοδοσίας
   Τα κυκλώματα RF είναι ευαίσθητα στο θόρυβο. Είναι ευαίσθητα σε αιχμές και άλλες αρμονικές υψηλών συχνοτήτων. Ένας μικροελεγκτής θα τραβήξει ξαφνικά πολύ ρεύμα σε κάθε εσωτερικό κύκλο ρολογιού. Οι περισσότεροι σύγχρονοι μικροελεγκτές χρησιμοποιούν CMOS. Εάν ένας μικροελεγκτής λειτουργεί με εσωτερικό ρολόι 1 MHz, θα τραβήξει ρεύμα με αυτόν τον ρυθμό. Αν δεν έχουμε καλή αποσύνδεση ισχύος, θα έχουμε θόρυβο τάσης στις γραμμές τροφοδοσίας. Εάν οι αιχμές τάσης φτάσουν στους ακροδέκτες τροφοδοσίας RF, το μπλοκ RF μπορεί να αποτύχει.

3. Κακός σχεδιασμός εδάφους
   Εάν το έδαφος δεν είναι καλά σχεδιασμένο για RF, μπορεί να προκύψουν περίεργα αποτελέσματα. Στον ψηφιακό σχεδιασμό, τα περισσότερα κυκλώματα εξακολουθούν να λειτουργούν ακόμη και αν η γείωση δεν είναι τέλεια. Αλλά στα RF, ακόμη και τα σύντομα καλώδια γείωσης λειτουργούν σαν επαγωγείς. Για παράδειγμα, 1 nH αυτεπαγωγής αντιστοιχεί σε μήκος σχεδόν 1 mm. Από αυτό μπορούμε να μαντέψουμε ότι ένα ίχνος PCB μήκους 10 mm έχει αντίδραση περίπου 27 Ω. Αν δεν έχουμε καλή γείωση, πολλά ίχνη γείωσης θα είναι μακριά και το κύκλωμα δεν θα διατηρήσει τα σχεδιασμένα χαρακτηριστικά του.

4. Ακτινοβολία κεραίας που παρεμβαίνει σε άλλα αναλογικά κυκλώματα
   Στη διάταξη PCB, υπάρχουν και άλλα αναλογικά μέρη. Πολλές πλακέτες διαθέτουν ADC ή DAC. Ένα ισχυρό σήμα RF από έναν πομπό μπορεί να φτάσει στην είσοδο του ADC. Οποιοδήποτε ίχνος μπορεί να λειτουργήσει ως κεραία. Εάν η είσοδος ADC δεν έχει καλό χειρισμό, το RF μπορεί να περάσει στη δίοδο ESD και να προκαλέσει offset ή σφάλματα ADC.

Αρχές και λύσεις σχεδιασμού κυκλωμάτων RF

1. Ορισμός της διάταξης RF

Όταν σχεδιάζετε διάταξη RF, ακολουθήστε αυτούς τους κανόνες.

1. Κρατήστε τους ενισχυτές υψηλής ισχύος (HPA) και τους ενισχυτές χαμηλού θορύβου (LNA) όσο το δυνατόν πιο μακριά μεταξύ τους. Τοποθετήστε τα τμήματα εκπομπής υψηλής ισχύος μακριά από τα τμήματα λήψης χαμηλής ισχύος.

2. Στις περιοχές υψηλών συχνοτήτων στην πλακέτα PCB, να έχετε τουλάχιστον ένα πλήρες επίπεδο γείωσης από κάτω και να αποφεύγετε τα vias σε αυτό. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια χαλκού τόσο το καλύτερο.

3. Η αποσύνδεση κυκλώματος και ισχύος είναι εξίσου σημαντική.

4. Τοποθετήστε τις εξόδους RF μακριά από τις εισόδους RF.

5. Τοποθετήστε τα ευαίσθητα αναλογικά σήματα μακριά από ψηφιακά σήματα υψηλής ταχύτητας και σήματα RF.

2. Κανόνες σχεδιασμού φυσικού και ηλεκτρικού διαχωρισμού

Διαίρεση σημαίνει διαχωρισμό του πίνακα ανά λειτουργία. Μπορείτε να κάνετε φυσική κατάτμηση και ηλεκτρική κατάτμηση. Η φυσική κατάτμηση αφορά τη διάταξη των εξαρτημάτων, την κατεύθυνση και τις θωρακίσεις. Η ηλεκτρική διαμέριση ασχολείται με τη διανομή ισχύος, τη δρομολόγηση RF, τα ευαίσθητα μέρη, τα σήματα και τις ζώνες γείωσης.

a. Αρχές φυσικού διαχωρισμού

Η διάταξη των εξαρτημάτων είναι το κλειδί για την καλή σχεδίαση RF. Μια καλή μέθοδος είναι να τοποθετείτε πρώτα τα εξαρτήματα κατά μήκος της διαδρομής RF. Στη συνέχεια, ορίστε την κατεύθυνσή τους. Τοποθετήστε τις εισόδους μακριά από τις εξόδους. Κρατήστε τα εξαρτήματα υψηλής και χαμηλής ισχύος χωριστά. Αυτό βοηθά στη μείωση των διαδρομών RF.

b. Αρχή σχεδιασμού PCB stackup

Μια καλή στοίβαξη τοποθετεί το κύριο επίπεδο γείωσης στο στρώμα κάτω από το στρώμα ιχνών. Τοποθετήστε τα ίχνη RF στο επίπεδο στρώμα. Κάντε τα vias στα μονοπάτια RF μικρά. Αυτό μειώνει την αυτεπαγωγή των διαδρομών και μειώνει τις ψυχρές ενώσεις συγκόλλησης στην κύρια γείωση. Επίσης, λιγότερη ενέργεια RF θα διαρρεύσει σε άλλα στρώματα.

c. Μέρη RF και αρχές ιχνών RF

Στο χώρο της πλακέτας, γραμμικά κυκλώματα όπως ενισχυτές πολλαπλών βαθμίδων μπορούν να διαχωρίσουν τις ζώνες RF. Όμως οι duplexers, οι μείκτες και οι ενισχυτές IF συχνά κάνουν πολλά σήματα RF και IF να εμφανίζονται κοντά το ένα στο άλλο. Θα πρέπει να φροντίσετε να μειώσετε αυτή τη σύζευξη. Δρομολογήστε προσεκτικά τα ίχνη RF και IF και αφήστε χώρο γείωσης μεταξύ τους. Η σωστή διαδρομή RF είναι ζωτικής σημασίας για την απόδοση της πλακέτας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η διάταξη των εξαρτημάτων καταλαμβάνει τον περισσότερο χρόνο στη σχεδίαση τηλεφωνικών PCB.

d. Αρχή του ηλεκτρικού διαχωρισμού

Η περισσότερη ισχύς στα τηλεφωνικά κυκλώματα είναι χαμηλής συνεχούς τάσης, οπότε δεν χρειάζεστε ειδικά ευρεία ίχνη. Αλλά για την τροφοδοσία ενισχυτών υψηλής ισχύος πρέπει να κατασκευάσετε ευρεία ίχνη για υψηλό ρεύμα. Αυτό διατηρεί την πτώση τάσης μικρή. Χρησιμοποιήστε πολλά vias για να μεταφέρετε το ρεύμα από το ένα επίπεδο στο άλλο για να αποφύγετε την απώλεια ρεύματος.

Η αποσύνδεση ισχύος για τα εξαρτήματα ισχύος είναι σημαντική. Εάν αποτύχετε να αποσυνδέσετε την ισχύ σε ένα ακροδέκτη ενισχυτή υψηλής ισχύος, μπορεί να συμβούν πολλά προβλήματα. Ο θόρυβος υψηλής ισχύος μπορεί να ακτινοβολεί σε όλη την πλακέτα. Η γείωση για τους ενισχυτές υψηλής ισχύος είναι πολύ σημαντική. Οι σχεδιαστές συχνά χρειάζονται μια μεταλλική θωράκιση μπορεί.

e. Αρχή απομόνωσης εισόδου/εξόδου RF

Είναι πολύ σημαντικό να κρατάτε την έξοδο RF μακριά από την είσοδο RF. Αυτό ισχύει για τους ενισχυτές, τους ρυθμιστές και τα φίλτρα. Στη χειρότερη περίπτωση, εάν η έξοδος του ενισχυτή ή του ρυθμιστή επιστρέψει στην είσοδό του με τη σωστή φάση και πλάτος, το εξάρτημα μπορεί να περιέλθει σε αυτοταλαντώσεις. Στην καλή περίπτωση, το κύκλωμα θα είναι σταθερό σε όλες τις θερμοκρασίες και τις τάσεις. Σε κακή περίπτωση, θα προσθέσει θόρυβο και ενδοδιαμόρφωση στο σήμα RF.

Περίληψη

Εν ολίγοις, τα κυκλώματα RF λειτουργούν με κατανεμημένες γραμμές παραμέτρων. Παρουσιάζουν φαινόμενο δέρματος και σύζευξη. Αυτό τα καθιστά διαφορετικά από τα κυκλώματα χαμηλών συχνοτήτων και τα κυκλώματα συνεχούς ρεύματος. Έτσι, στη σχεδίαση PCB RF πρέπει να εστιάσετε στα παραπάνω σημεία. Εάν το κάνετε, ο σχεδιασμός θα είναι αποτελεσματικός και ακριβής.

1. Κρατήστε τα ίχνη σύντομα όταν είναι δυνατόν. Τα σύντομα ίχνη μειώνουν τις απώλειες και την ανεπιθύμητη αντίδραση.

2. Χρησιμοποιήστε το κατάλληλο υπόστρωμα για την απαιτούμενη συχνότητα. Το fr4 είναι εντάξει για πολλές περιπτώσεις. Χρησιμοποιήστε Rogers ή PTFE για χαμηλές απώλειες σε υψηλή συχνότητα.

3. Έλεγχος της σύνθετης αντίστασης των ιχνών. Χρησιμοποιήστε το σωστό πλάτος, την κατάλληλη απόσταση και τη σωστή στοίβαξη. Μετρήστε ή υπολογίστε με εργαλεία.

4. Διατηρήστε χωριστά τα ψηφιακά μέρη και τα μέρη RF. Δώστε σε κάθε τμήμα τη δική του επιστροφή γείωσης. Χρησιμοποιήστε αποσύζευξη στους ακροδέκτες ισχύος κοντά στο εξάρτημα.

5. Χρησιμοποιήστε επίπεδα γείωσης και μικρά vias για την επιστροφή RF. Αυτό μειώνει την αυτεπαγωγή.

6. Τοποθετήστε φίλτρα και θωρακίσεις κοντά σε ευαίσθητα μέρη. Αυτό μειώνει την ανεπιθύμητη πρόσληψη.

7. Δοκιμή με πρωτότυπα. Το RF χρειάζεται συνήθως πολλαπλούς γύρους διάταξης και συντονισμού. Μικρές αλλαγές μπορούν να έχουν μεγάλα αποτελέσματα σε υψηλές συχνότητες.

8. Για τις κεραίες, δώστε μια καθαρή περιοχή και κρατήστε μακριά μέταλλα και άλλα ίχνη. Η προσαρμογή και ο συντονισμός κεραιών συχνά χρειάζονται χώρο στην πλακέτα και δοκιμή.

9. Όταν κατασκευάζετε ίχνη υψηλής ισχύος, κάντε τα φαρδιά και χρησιμοποιήστε πολλά vias για να μεταφέρετε ρεύμα μεταξύ των στρωμάτων.

Βασικοί τύποι και κανόνες για έλεγχο

1. Χρησιμοποιήστε l/λ ≥ 0,05 για να δείτε αν ένα ίχνος χρειάζεται ένα κατανεμημένο μοντέλο. l είναι το γεωμετρικό μήκος. λ είναι το μήκος κύματος εργασίας στο μέσο.

2. Για γρήγορη αίσθηση της επαγωγής, 1 nH αντιστοιχεί σε περίπου 1 mm ίχνος. Χρησιμοποιήστε το για να ελέγξετε αν οι μεγάλες βάσεις προσθέτουν επαγωγή.

3. Για τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης, πρέπει να γνωρίζετε τη στοίβαξη, το πλάτος του ίχνους, τη διηλεκτρική σταθερά και την απόσταση από το επίπεδο. Χρησιμοποιήστε έναν επιλύτη πεδίου ή έναν υπολογιστή σύνθετης αντίστασης για να λάβετε ακριβείς τιμές.