برد مدار چاپی فرکانس رادیویی (RF PCB) نوعی برد مدار چاپی است که برای انتقال و پردازش سیگنال‌های فرکانس رادیویی ساخته شده است. این سیگنال‌ها فرکانس بالایی دارند. معمولاً فرکانس آن‌ها برابر یا بالاتر از ۳۰۰ کیلوهرتز و تا ۳۰۰ گیگاهرتز است.

فرکانس رادیویی، یا RF، نامی است برای گروهی از امواج الکترومغناطیسی. مردم از این نام زمانی استفاده می‌کنند که امواج بتوانند برای ارتباطات رادیویی کار کنند. محدوده فرکانس برای RF در کتاب‌های مختلف همیشه یکسان نیست. برخی کتاب‌ها می‌گویند RF از ۳۰ مگاهرتز تا ۳ گیگاهرتز است. برخی می‌گویند این بازه از ۳۰۰ مگاهرتز تا ۴۰ گیگاهرتز است. این بازه‌ها می‌توانند با بازهٔ میکروویو همپوشانی داشته باشند. برخی کتاب‌های دیگر روش متفاوتی برای تقسیم طیف به کار می‌برند. آن‌ها می‌گویند امواجی با طول موج از ۱ مگامتر تا ۱ متر در یک گروه قرار دارند. این بازه فرکانس‌هایی از ۳۰ هرتز تا ۳۰۰ مگاهرتز را در بر می‌گیرد. مرز بین RF و میکروویو چندان روشن نیست. این مرز می‌تواند با پیشرفت قطعات و روش‌های طراحی تغییر کند.

برد مدار چاپی RF و ویژگی‌های اصلی آن

وقتی یک PCB را برای کاربرد RF طراحی می‌کنیم، باید به نحوه عملکرد خطوط انتقال فکر کنیم. برای یک سیم یا رد روی PCB، می‌توانیم آن را به دو روش مدل‌سازی کنیم. یکی مدل عنصر توده‌ای است. دیگری مدل پارامتر توزیع‌شده است. یک قاعده کلی این است: اگر طول هندسی l تقسیم بر طول موج λ برابر یا بزرگ‌تر از 0.05 باشد، از مدل توزیع‌شده استفاده می‌کنیم. در این یادداشت، لینک RF به معنای مدارکی است که در آن خط انتقال به مدل پارامتریک توزیع‌شده نیاز دارد. در عمل، طول مسیر روی PCB به ندرت از ۵۰ سانتی‌متر بیشتر است. بنابراین می‌توانیم از سیگنال‌های آنالوگ در فرکانس ۳۰ مگاهرتز شروع کنیم. سیگنال‌های بالاتر از ۳ گیگاهرتز اغلب مایکروویو نامیده می‌شوند. برای محدودیت‌های تولید که فاصله بین عناصر می‌تواند ۰.۵ میلی‌متر باشد، افراد گاهی اوقات فرکانس بالا را روی ۳۰ گیگاهرتز تنظیم می‌کنند. اما این کار همیشه مفید نیست.

بر اساس این نکات، می‌توان گفت PCB RF نوعی PCB برای سیگنال‌های آنالوگ با فرکانس تقریباً ۳۰ مگاهرتز تا ۶ گیگاهرتز است. انتخاب بین مدل متمرکز یا توزیع‌شده باید بر اساس فرمول فوق و فرکانس کاری صورت گیرد.

چون ثابت دی‌الکتریک زیرلایه معمولاً بالا است، امواج در برد نسبت به هوا کندتر حرکت می‌کنند. این باعث می‌شود طول موج روی برد کوتاه‌تر شود. برای میکروستریپ و سایر خطوط، زیرلایه باید تلفات دی‌الکتریک پایینی داشته باشد. ثابت دی‌الکتریک نباید در محدوده فرکانس و دمای مورد نیاز تغییر زیادی کند. زیرلایه باید رسانایی حرارتی خوبی داشته باشد و سطح آن صاف باشد. زیرلایه باید به‌خوبی به هادی بچسبد.

برای فلز روی ردپا به رسانایی بالا نیاز داریم. فلز باید ضریب دمای مقاومت کمی داشته باشد. باید به‌خوبی به زیرلایه بچسبد. باید به‌راحتی قابل لحیم‌کاری باشد.

اصول انتخاب مواد برد RF

نقش زیرلایه در بردهای مدار چاپی مایکروویو

برد مدار چاپی فرکانس مایکروویو تنها حامل قطعات نیست، بلکه واسطه‌ای برای میدان‌های الکترومغناطیسی مایکروویو نیز هست. بنابراین برای مدارهای RF بهترین انتخاب سابستریت با فرکانس بالا یا درجه مایکروویو است.

کنترل امپدانس ردیابی

در یک برد مدار چاپی RF، مسیرهای چاپ‌شده باید از قوانین معمول مانند ظرفیت جریان پیروی کنند. علاوه بر این، باید امپدانس مشخصهٔ مسیر را کنترل کرد. مسیرها باید از نظر امپدانس تطبیق داده شوند. بنابراین فرایند ساخت PCB باید امپدانس مسیر را کنترل کند. امپدانس مشخصهٔ یک مسیر به جنس PCB و پارامترهای فیزیکی آن بستگی دارد. بنابراین طراحان PCB باید عملکرد جنس مورد استفاده را بشناسند.

نیازمندی‌های مواد برای بردهای RF

بردهای RF معمولاً به فرکانس بالا و عملکرد قوی نیاز دارند. افراد زیرلایه‌ای را انتخاب می‌کنند که ضریب دی‌الکتریک آن دقیق باشد. زیرلایه باید پایدار باشد و اتلاف کمی داشته باشد. همچنین این ماده باید با فرآیند تولید سازگار باشد. برای مثال، باید بتواند لحیم‌کاری ری‌فلو در دمای بالا را تحمل کند. شرکت ما اغلب از FR4، TACONIC و مواد شرکت ROGERS به‌عنوان مواد پایه RF استفاده می‌کند.

ویژگی‌های FR-4

FR4 (پارچه‌ی شیشه‌ای اپوکسی با روکش مسی و مقاوم در برابر حریق) دارای ضریب دی‌الکتریک Er است که در فرکانس ۱ گیگاهرتز برابر با Er = 4.3 ± 0.2 اندازه‌گیری شده است. دمای انتقال شیشه‌ای Tg برابر با ۱۳۵ درجه سانتی‌گراد است. برای بردهای معمولی از دو نوع صفحه استفاده می‌کنیم. یکی ماده برد استاندارد است که هزینهٔ پایین و فرآیند بلوغ‌یافته‌ای دارد. دیگری برد UV است که اغلب «برد زرد» نامیده می‌شود و دارای قابلیت مسدودسازی اشعه فرابنفش (UV-BLOCKING) است. ما از آن برای لایه‌های بیرونی استفاده می‌کنیم. عملکرد آن کمی بهتر از صفحهٔ استاندارد است.

مواد تاکونیک

تاکونیک یک برند شناخته‌شده است. دارای ویژگی‌های زیادی است. قیمت آن بالاتر از FR4 است.

ماده راجرز

مواد ROGERS دارای دقت بالای ضریب دی‌الکتریک هستند. این مواد در برابر دما پایدار بوده و تلفات کمی دارند. ما از آن‌ها در مدارهای توان بالا استفاده می‌کنیم. ساخت و پردازش PCB آن مشابه FR4 است، بنابراین هزینه تولید آن پایین است. اما چسبندگی ورق مس آن کم است.

جدول بستر

موارد RF در طراحی PCB و راه‌حل‌ها

به‌طور کلی، برای مدارهایی با فرکانس پایین‌تر از مایکروویو (شامل فرکانس پایین و دیجیتال کم‌سرعت)، چیدمان دقیق اولین کلید موفقیت است. اگر قواعد را بدانید، می‌توانید طراحی خوبی انجام دهید. برای میکرواستریپ و مدارهای دیجیتال پرسرعت در سطح PCB، ممکن است دو یا سه نسخه PCB لازم باشد تا کیفیت مدار تضمین شود. برای مدارهای RF با فرکانس بالاتر از مایکروویو، برای بهبود عملکرد به نسخه‌های بیشتری نیاز خواهید داشت. بنابراین در طراحی مدارهای RF با چالش‌های زیادی روبه‌رو خواهید شد.

در زیر مشکلات رایج و راه‌حل‌های آن‌ها را فهرست می‌کنیم.

مشکلات رایج در طراحی مدار RF

1. تداخل بین ماژول‌های دیجیتال و آنالوگ
   وقتی قطعات آنالوگ RF و دیجیتال به تنهایی کار می‌کنند، هر کدام می‌توانند به خوبی عمل کنند. اما وقتی روی یک برد با هم ترکیب شده و تغذیه را به اشتراک می‌گذارند، کل سیستم ممکن است ناپایدار شود. سیگنال‌های دیجیتال بین زمین و Vcc بیش از ۳ ولت نوسان می‌کنند. دوره نوسان می‌تواند کوتاه باشد، در محدوده نانوثانیه. به دلیل بزرگ بودن دامنه و سریع بودن سوئیچینگ، سیگنال‌های دیجیتال شامل اجزای فرکانس بالا هستند که به کلاک سوئیچینگ وابسته نیستند. در بخش آنالوگ، از یک حلقه رادیویی کوک‌شده تا یک گیرنده، ولتاژ می‌تواند کمتر از ۱ میکروولت باشد. تفاوت بین سیگنال کوچک RF و نویز دیجیتال می‌تواند بیش از ۱۲۰ دسی‌بل باشد. اگر سیگنال‌های دیجیتال از RF دور نگه داشته نشوند، سیگنال ضعیف RF ممکن است آسیب ببیند. رادیو ممکن است از کار بیفتد یا عملکرد ضعیفی داشته باشد.

2. تداخل نویز منبع تغذیه
   مدارهای RF به نویز حساس هستند. آنها به پیک‌ها و هارمونیک‌های فرکانس بالا دیگر حساس‌اند. یک میکروکنترلر ناگهان در هر چرخه کلاک داخلی جریان زیادی می‌کشد. اکثر میکروکنترلرهای مدرن از فناوری CMOS استفاده می‌کنند. اگر یک میکروکنترلر با کلاک داخلی ۱ مگاهرتز کار کند، در هر چرخه کلاک مقدار زیادی جریان مصرف می‌کند. اگر جداسازی تغذیه مناسبی نداشته باشیم، نویز ولتاژ روی خطوط تغذیه ایجاد می‌شود. اگر نوسانات ولتاژ به پین‌های تغذیه RF برسند، بلوک RF ممکن است از کار بیفتد.

3. طراحی بد زمین
   اگر زمین برای فرکانس رادیویی به‌خوبی طراحی نشود، نتایج عجیبی ممکن است رخ دهد. در طراحی دیجیتال، بیشتر مدارها حتی اگر زمین کامل نباشد همچنان کار می‌کنند. اما در RF، حتی سیم‌های کوتاه زمین مانند القاکننده‌ها عمل می‌کنند. برای مثال، ۱ نانوهنری القا تقریباً معادل ۱ میلی‌متر طول است. از این می‌توان حدس زد که یک رد PCB به طول ۱۰ میلی‌متر، امپدانس در حدود ۲۷ اهم دارد. اگر زمین مناسبی نداشته باشیم، بسیاری از ردهای زمین طولانی خواهند شد و مدار ویژگی‌های طراحی‌شده خود را حفظ نخواهد کرد.

4. تداخل تابش آنتن با مدارهای آنالوگ دیگر
   در چیدمان PCB قطعات آنالوگ دیگری نیز وجود دارد. بسیاری از بردها دارای ADC یا DAC هستند. سیگنال RF قوی از فرستنده می‌تواند به ورودی ADC برسد. هر مسیر می‌تواند مانند یک آنتن عمل کند. اگر ورودی ADC به‌درستی مدیریت نشود، RF می‌تواند وارد دیود ESD آن شود و باعث آفست یا خطا در ADC گردد.

اصول و راهکارهای طراحی مدار RF

۱. تعریف چیدمان RF

هنگام طراحی چیدمان RF، این قوانین را دنبال کنید.

1. تقویت‌کننده‌های توان بالا (HPAs) و تقویت‌کننده‌های نویز پایین (LNAs) را تا حد امکان از هم دور نگه دارید. قطعات ارسال توان بالا را از قطعات دریافت توان پایین دور قرار دهید.

2. در نواحی با فرکانس بالا روی برد مدار چاپی (PCB)، حداقل یک پلن زمین کامل در زیر داشته باشید و از ویاس در آن خودداری کنید. هرچه مساحت ناحیه مسی بزرگ‌تر باشد، بهتر است.

3. جداسازی مدار و توان به یک اندازه مهم هستند.

4. خروجی‌های RF را دور از ورودی‌های RF قرار دهید.

5. سیگنال‌های آنالوگ حساس را دور از سیگنال‌های دیجیتال پرسرعت و RF قرار دهید.

۲. قوانین طراحی پارتیشن فیزیکی و الکتریکی

پارتیشن به معنای تقسیم برد بر اساس عملکرد است. شما می‌توانید پارتیشن فیزیکی و پارتیشن الکتریکی انجام دهید. پارتیشن فیزیکی به چیدمان قطعات، جهت‌گیری و شیلدها می‌پردازد. پارتیشن الکتریکی به توزیع توان، مسیریابی RF، قطعات حساس، سیگنال‌ها و نواحی زمین می‌پردازد.

الف. اصول پارتیشن‌بندی فیزیکی

چیدمان قطعات کلید طراحی خوب RF است. یک روش خوب این است که ابتدا قطعات را در امتداد مسیر RF قرار دهید. سپس جهت آن‌ها را مشخص کنید. ورودی‌ها را دور از خروجی‌ها قرار دهید. قطعات پرقدرت و کم‌قدرت را از هم جدا نگه دارید. این کار به کوتاه‌تر شدن مسیرهای RF کمک می‌کند.

ب. اصل طراحی استک‌آپ PCB

یک چیدمان لایه‌ها (stackup) مناسب، پله‌ی زمین اصلی را در لایه‌ی زیر لایه‌ی مسیر قرار می‌دهد. مسیرهای RF را روی لایه‌ی پله‌ی زمین قرار دهید. ویازهای مسیرهای RF را کوچک در نظر بگیرید. این کار القای مسیر را کاهش داده و از ایجاد اتصالات لحیم سرد روی زمین اصلی جلوگیری می‌کند. همچنین انرژی کمتری از RF به لایه‌های دیگر نشت می‌کند.

ج. قطعات RF و اصول مسیرکشی RF

در فضای برد، مدارهای خطی مانند تقویت‌کننده‌های چندمرحله‌ای می‌توانند نواحی RF را از هم جدا کنند. اما دپلکسرها، میکسرها و تقویت‌کننده‌های IF اغلب باعث می‌شوند سیگنال‌های RF و IF زیادی در نزدیکی یکدیگر ظاهر شوند. باید مراقب باشید تا این کوپلینگ را کاهش دهید. مسیرهای RF و IF را با دقت ردیابی کنید و بین آن‌ها فضای زمین باقی بگذارید. مسیر مناسب RF برای عملکرد PCB حیاتی است. به همین دلیل چیدمان قطعات بیشتر وقت طراحی PCB تلفن همراه را به خود اختصاص می‌دهد.

د. اصل جداسازی الکتریکی

بیشتر توان در مدارهای تلفن در ولتاژ پایین DC است، بنابراین نیازی به ردهای عریض ویژه ندارید. اما برای تغذیه تقویت‌کننده‌های توان بالا باید ردهای عریض برای جریان زیاد در نظر بگیرید. این کار افت ولتاژ را کم نگه می‌دارد. برای انتقال جریان از یک پلن به پلن دیگر و جلوگیری از اتلاف جریان از چندین ویای (via) استفاده کنید.

جداسازی تغذیه برای قطعات قدرت اهمیت دارد. اگر نتوانید تغذیه را در پین یک تقویت‌کننده قدرت بالا جدا کنید، مشکلات زیادی ممکن است رخ دهد. نویز قدرت بالا می‌تواند در سراسر برد پخش شود. زمین برای تقویت‌کننده‌های قدرت بالا بسیار مهم است. طراحان اغلب به یک محفظه محافظ فلزی نیاز دارند.

e. اصل ایزولاسیون ورودی/خروجی RF

خیلی مهم است که خروجی RF را از ورودی RF دور نگه داشت. این موضوع در مورد تقویت‌کننده‌ها، بافرها و فیلترها صدق می‌کند. در بدترین حالت، اگر خروجی تقویت‌کننده یا بافر با فاز و دامنه مناسب به ورودی خود بازگردد، قطعه ممکن است وارد خودتشدید شود. در بهترین حالت، مدار در همه دماها و ولتاژها پایدار خواهد بود. در حالت نامطلوب، نویز و بین‌مدولاسیون به سیگنال RF اضافه خواهد شد.

خلاصه

به‌طور خلاصه، مدارهای RF با خطوط با پارامترهای توزیع‌شده کار می‌کنند. این خطوط دچار اثر پوستی و کوپلینگ می‌شوند. این موضوع آن‌ها را از مدارهای فرکانس پایین و DC متمایز می‌کند. بنابراین در طراحی PCB RF باید روی نکات فوق تمرکز کنید. اگر این کار را انجام دهید، طراحی مؤثر و دقیق خواهد بود.

1. هرگاه ممکن است، مسیرها را کوتاه نگه دارید. مسیرهای کوتاه اتلاف و واکنش ناخواسته را کاهش می‌دهند.

2. از زیرلایه مناسب برای فرکانس مورد نیاز استفاده کنید. FR4 در بسیاری از موارد مناسب است. برای کاهش تلفات در فرکانس‌های بالا از راجرز یا PTFE استفاده کنید.

3. مقاومت ظاهری مسیرها را کنترل کنید. از عرض، فاصله‌گذاری و چیدمان لایه‌ها مناسب استفاده کنید. با ابزارها اندازه‌گیری یا محاسبه کنید.

4. قطعات دیجیتال و RF را جدا نگه دارید. برای هر بخش یک مسیر بازگشت زمین مجزا در نظر بگیرید. از خازن‌های کوپلینگ در پین‌های تغذیه نزدیک به قطعه استفاده کنید.

5. برای بازگشت سیگنال RF از پلن‌های زمین و ویای‌های کوچک استفاده کنید. این کار القا را کاهش می‌دهد.

6. فیلترها و شیلدها را در نزدیکی قطعات حساس قرار دهید. این کار جذب نویز ناخواسته را کاهش می‌دهد.

7. با نمونه‌های اولیه آزمایش کنید. RF معمولاً به چندین دور طراحی و تنظیم نیاز دارد. تغییرات کوچک می‌توانند در فرکانس‌های بالا اثرات بزرگی داشته باشند.

8. برای آنتن‌ها، فضای کافی در نظر بگیرید و قطعات فلزی و سایر ردیف‌های مسیری را دور نگه دارید. تطبیق و تنظیم آنتن اغلب نیاز به فضای روی برد و تست دارد.

9. وقتی ردهای با توان بالا می‌سازید، آن‌ها را پهن در نظر بگیرید و برای عبور جریان بین لایه‌ها از ویای‌های متعدد استفاده کنید.

فرمول‌ها و قواعد پایه‌ای برای بررسی

1. برای بررسی اینکه آیا یک ردپا به مدل توزیع‌شده نیاز دارد، از شرط l/λ ≥ 0.05 استفاده کنید. l طول هندسی است. λ طول موج کاری در محیط است.

2. برای سنجش سریع القا، ۱ نانوهنری معادل حدود ۱ میلی‌متر از مسیر است. از این برای بررسی اینکه آیا زمین‌های بلند القا را افزایش می‌دهند استفاده کنید.

3. برای کنترل امپدانس، از لایه‌بندی (stackup)، عرض مسیر (trace width)، ثابت دی‌الکتریک و فاصله تا صفحه زمین مطلع باشید. برای به‌دست‌آوردن مقادیر دقیق از حل‌کننده میدان یا ماشین‌حساب امپدانس استفاده کنید.