RF PCB es un tipo de placa de circuito impreso (PCB) fabricada para transportar y manejar señales de radiofrecuencia. Estas señales son de alta frecuencia. Suelen tener una frecuencia igual o superior a 300 kHz y hasta 300 GHz.

Radiofrecuencia, o RF, es un nombre para un grupo de ondas electromagnéticas. Se utiliza este nombre cuando las ondas pueden funcionar para la comunicación por radio. El rango de frecuencia de la RF no siempre es el mismo en los distintos libros. Algunos libros dicen que la RF va de 30 MHz a 3 GHz. Otros dicen que va de 300 MHz a 40 GHz. Estos rangos pueden solaparse con el rango llamado microondas. Otros libros utilizan una forma diferente de dividir el espectro. Dicen que las ondas con longitud de onda de 1 megametro a 1 metro están en un grupo. Eso da frecuencias de 30 Hz a 300 MHz. La línea entre RF y microondas no está muy clara. La línea puede cambiar a medida que mejoran las piezas y los métodos de diseño.

RF PCB y sus principales características

Cuando diseñamos una PCB para su uso en RF, debemos pensar en cómo se comportan las líneas de transmisión. Para un cable o traza en una PCB, podemos modelarlo de dos maneras. Una es el modelo de elemento fijo. La otra es el modelo de parámetros distribuidos. Una regla común es la siguiente. Si la longitud geométrica l dividida por la longitud de onda λ es igual o mayor que 0,05, entonces utilizamos el modelo distribuido. En esta nota, un enlace de RF significa un circuito donde la línea de transmisión necesita el modelo distribuido. En la práctica, la longitud de la traza de PCB rara vez supera los 50 cm. Por tanto, podemos partir de señales analógicas a 30 MHz. Las señales por encima de 3 GHz suelen denominarse microondas. Para los límites de producción, en los que la separación entre elementos puede ser de 0,5 mm, a veces se fija la frecuencia máxima en 30 GHz. Pero esto no siempre es útil.

A partir de estos puntos, podemos decir que una placa de circuito impreso de RF es una placa para señales analógicas con una frecuencia de unos 30 MHz a 6 GHz. La elección entre modelo lumped o distribuido debe seguir la fórmula anterior y la frecuencia de trabajo.

Como la constante dieléctrica del sustrato suele ser alta, las ondas se mueven más despacio en la placa que en el aire. Eso hace que la longitud de onda sea más corta en la placa. Para las líneas microstrip y otras, el sustrato debe tener una pérdida dieléctrica baja. La constante dieléctrica no debe cambiar mucho en el rango de frecuencias y temperaturas necesario. El sustrato debe tener una buena conductividad térmica y una superficie lisa. Debe adherirse bien al conductor.

Para el metal de la traza necesitamos una alta conductividad. El metal debe tener un coeficiente de resistencia a la temperatura pequeño. Debe adherirse bien al sustrato. Debe ser fácil de soldar.

Principios para elegir el material de la placa de RF

Papel del sustrato en los PCB de microondas

Una placa de circuito impreso para frecuencias de microondas no es sólo un soporte para componentes. También es un medio para los campos electromagnéticos de microondas. Por eso, para los circuitos de radiofrecuencia, la mejor opción es el sustrato de alta frecuencia o de microondas.

Control de la impedancia de la traza

En una placa de circuito impreso de RF, las trazas impresas deben seguir las reglas normales, como la capacidad de corriente. Además, debemos controlar la impedancia característica de las trazas. La impedancia de las trazas debe coincidir. Por tanto, el proceso de PCB debe controlar la impedancia de la traza. La impedancia característica de una traza depende del material del circuito impreso y de sus parámetros físicos. Los diseñadores de PCB deben conocer el rendimiento del material.

Requisitos de material para las tarjetas de radiofrecuencia

Las placas de RF suelen necesitar alta frecuencia y alto rendimiento. Se elige un sustrato con una constante dieléctrica precisa. El sustrato debe ser estable y tener bajas pérdidas. Además, el material debe ser apto para la producción. Por ejemplo, debe soportar la soldadura por reflujo a alta temperatura. Nuestra empresa suele utilizar fr4, TACONIC y materiales de ROGERS como material base de RF.

Características de FR-4

fr4 (tejido de vidrio epoxi revestido de cobre ignífugo) tiene una constante dieléctrica Er probada a 1 GHz como Er = 4,3 ± 0,2. La temperatura de transición vítrea Tg es de 135 °C. Para los tableros comunes utilizamos dos tipos de placa. Uno es el material de placa estándar. Es de bajo coste y tiene un proceso maduro. La otra es la placa UV, a menudo llamada placa amarilla. Tiene UV-BLOCKING para bloquear los rayos ultravioleta. Lo utilizamos para las capas exteriores. Su rendimiento es un poco mejor que el de la placa estándar.

Material TACÓNICO

TACÓNICO es una marca muy conocida. Tiene muchas especificaciones. Su precio es superior al fr4.

material ROGERS

El material ROGERS tiene una alta precisión de constante dieléctrica. Es estable con la temperatura y tiene bajas pérdidas. Lo utilizamos para circuitos de alta potencia. La fabricación y el proceso de la placa de circuito impreso son similares a los del fr4, por lo que el coste de fabricación es bajo. Pero la adherencia de la lámina de cobre es baja.

Tabla de sustratos

Problemas de RF en el diseño de PCB y soluciones

En general, para circuitos con frecuencia inferior a microondas (esto incluye baja frecuencia y baja velocidad digital), un diseño cuidadoso es la primera clave del éxito. Si se conocen las reglas, se puede hacer un buen diseño. Para circuitos microstrip y digitales de alta velocidad a nivel de PCB, pueden ser necesarias dos o tres versiones de PCB para garantizar la calidad del circuito. Para circuitos de RF con frecuencia superior a microondas, necesitará más versiones para mejorar el rendimiento. Así que se enfrentará a muchos retos durante el diseño de circuitos de RF.

A continuación se enumeran los problemas más comunes y sus soluciones.

Problemas habituales en el diseño de circuitos de RF

1. Interferencias entre módulos digitales y analógicos
   Cuando las piezas analógicas de RF y las digitales trabajan solas, cada una puede funcionar bien. Pero cuando se mezclan en la misma placa y comparten la alimentación, todo el sistema puede volverse inestable. Las señales digitales oscilan entre tierra y Vcc más de 3 V. El periodo puede ser corto, del orden de nanosegundos. Como la amplitud es grande y la conmutación rápida, las señales digitales incluyen componentes de alta frecuencia que no dependen del reloj de conmutación. En la parte analógica, desde un bucle de radio sintonizado hasta un receptor, la tensión puede ser inferior a 1 μV. La diferencia entre la pequeña señal de radiofrecuencia y el ruido digital puede ser superior a 120 dB. Si las señales digitales no se mantienen alejadas de la RF, la débil señal de RF puede resultar dañada. La radio puede dejar de funcionar o funcionar mal.

2. Interferencias de ruido de la fuente de alimentación
   Los circuitos de RF son sensibles al ruido. Son sensibles a los picos y otros armónicos de alta frecuencia. Un microcontrolador consumirá mucha corriente repentinamente en cada ciclo de reloj interno. La mayoría de los microcontroladores modernos utilizan CMOS. Si un microcontrolador funciona con un reloj interno de 1 MHz, consumirá corriente a esa frecuencia. Si no tenemos un buen desacoplamiento de potencia, obtendremos ruido de tensión en las líneas de alimentación. Si los picos de tensión llegan a los pines de alimentación de RF, el bloque de RF puede fallar.

3. Mal diseño del suelo
   Si la tierra no está bien diseñada para RF, pueden producirse resultados extraños. En diseño digital, la mayoría de los circuitos funcionan aunque la toma de tierra no sea perfecta. Pero en RF, incluso los cables de tierra cortos actúan como inductores. Por ejemplo, 1 nH de inductancia es casi 1 mm de longitud. De ahí podemos deducir que una traza de PCB de 10 mm de longitud tiene una reactancia de unos 27 ohmios. Si no tenemos una buena toma de tierra, muchas trazas de tierra serán largas y el circuito no mantendrá las características diseñadas.

4. Radiación de antena que interfiere con otros circuitos analógicos
   En el diseño de PCB, hay otras partes analógicas. Muchas placas tienen ADC o DAC. Una señal de radiofrecuencia intensa procedente de un transmisor puede llegar a la entrada del ADC. Cualquier traza puede actuar como una antena. Si la entrada del ADC no tiene un buen manejo, la RF puede entrar en su diodo ESD y causar offset o errores en el ADC.

Principios y soluciones de diseño de circuitos de RF

1. Definición de diseño de RF

Cuando diseñe la disposición de RF, siga estas reglas.

1. Mantenga los amplificadores de alta potencia (HPA) y los amplificadores de bajo ruido (LNA) lo más separados posible. Coloca las partes de transmisión de alta potencia lejos de las partes de recepción de baja potencia.

2. En las zonas de alta frecuencia de la placa de circuito impreso, tenga al menos un plano de tierra completo debajo y evite las vías en él. Cuanto mayor sea la superficie de cobre, mejor.

3. El desacoplamiento de circuitos y de potencia es igualmente importante.

4. Coloque las salidas RF lejos de las entradas RF.

5. Aleja las señales analógicas sensibles de las señales digitales y de radiofrecuencia de alta velocidad.

2. Reglas de diseño de la partición física y la partición eléctrica

Partición significa dividir la placa por funciones. Se puede hacer partición física y partición eléctrica. La partición física se ocupa de la disposición de las piezas, la dirección y los blindajes. La partición eléctrica se ocupa de la distribución de energía, el enrutamiento de RF, las partes sensibles, las señales y las zonas de tierra.

a. Principios de partición física

La disposición de las piezas es clave para un buen diseño de RF. Un buen método consiste en colocar primero las piezas a lo largo de la ruta de RF. A continuación, establezca su dirección. Coloque las entradas lejos de las salidas. Separe las piezas de alta y baja potencia. Esto ayuda a acortar los trayectos de RF.

b. Principio de diseño de apilamiento de placas de circuito impreso

Un buen apilamiento coloca el plano de tierra principal en la capa inferior a la capa de trazas. Coloque las trazas de RF en la capa plana. Las vías de RF deben ser pequeñas. De este modo se reduce la inductancia del trayecto y las juntas de soldadura frías en la toma de tierra principal. Además, se filtrará menos energía de RF a otras capas.

c. Piezas de RF y principios de trazado de RF

En el espacio de la placa, los circuitos lineales como los amplificadores multietapa pueden separar las zonas de RF. Pero los duplexores, mezcladores y amplificadores de FI suelen hacer que muchas señales de RF e FI aparezcan cerca unas de otras. Hay que tener cuidado para reducir este acoplamiento. Dirija las trazas de RF e IF con cuidado y deje espacio de tierra entre ellas. La ruta de RF correcta es vital para el rendimiento de la PCB. Esta es la razón por la que la disposición de las piezas ocupa la mayor parte del tiempo en el diseño de PCB telefónicas.

d. Principio de partición eléctrica

La mayor parte de la potencia en los circuitos telefónicos es de baja CC, por lo que no se necesitan trazas anchas especiales. Sin embargo, para alimentar amplificadores de alta potencia, es necesario utilizar trazas anchas para corrientes elevadas. Esto mantiene la caída de voltaje pequeña. Utilice muchas vías para mover la corriente de un plano a otro para evitar la pérdida de corriente.

El desacoplamiento de potencia es importante. Si no se desacopla la potencia en una patilla de un amplificador de alta potencia, pueden surgir muchos problemas. El ruido de alta potencia puede irradiarse a través de la placa. La conexión a tierra de los amplificadores de alta potencia es muy importante. Los diseñadores a menudo necesitan una lata de blindaje metálico.

e. Principio de aislamiento de entrada/salida de RF

Es muy importante mantener la salida de RF alejada de la entrada de RF. Esto se aplica a amplificadores, tampones y filtros. En el peor de los casos, si la salida del amplificador o del búfer vuelve a su entrada con la fase y amplitud correctas, la pieza puede entrar en autooscilación. En el buen caso, el circuito será estable a todas las temperaturas y tensiones. En el mal caso, añadirá ruido e intermodulación a la señal de RF.

Resumen

En resumen, los circuitos de RF funcionan con líneas de parámetros distribuidos. Presentan efecto piel y acoplamiento. Esto los hace diferentes de los circuitos de baja frecuencia y CC. Así que en el diseño de PCB de RF debes centrarte en los puntos anteriores. Si lo haces, el diseño será eficaz y preciso.

1. Mantenga las líneas cortas siempre que sea posible. Las trazas cortas reducen las pérdidas y las reactancias no deseadas.

2. Utilice el sustrato adecuado para la frecuencia necesaria. fr4 está bien para muchos casos. Utilice Rogers o PTFE para bajas pérdidas en alta frecuencia.

3. Controla la impedancia de las trazas. Utiliza la anchura, separación y apilado adecuados. Mide o calcula con herramientas.

4. Mantenga separadas las partes digitales de las de RF. Asigne a cada sección su propia toma de tierra. Utilice desacoplamiento en los pines de alimentación cercanos a la pieza.

5. Utilice planos de tierra y pequeñas vías para el retorno de RF. Esto reduce la inductancia.

6. Coloque filtros y blindajes cerca de las piezas sensibles. Esto reduce la captación no deseada.

7. Pruebe con prototipos. La RF suele necesitar varias rondas de diseño y ajuste. Los pequeños cambios pueden tener grandes efectos a alta frecuencia.

8. Para las antenas, deja una zona despejada y mantén alejadas las trazas metálicas y de otro tipo. La adaptación y sintonización de antenas suele requerir espacio en la placa y pruebas.

9. Cuando hagas trazas de alta potencia, hazlas anchas y utiliza muchas vías para transportar corriente entre capas.

Fórmulas y reglas básicas para comprobar

1. Utiliza l/λ ≥ 0,05 para ver si una traza necesita un modelo distribuido. l es la longitud geométrica. λ es la longitud de onda de trabajo en el medio.

2. Para una inductancia rápida, 1 nH equivale a 1 mm de traza. Utilízalo para comprobar si las masas largas añaden inductancia.

3. Para controlar la impedancia, conoce el apilamiento, la anchura de la traza, la constante dieléctrica y la distancia al plano. Utiliza un solucionador de campos o una calculadora de impedancias para obtener valores precisos.