RF PCB on eräänlainen painettu piirilevy (PCB), joka on valmistettu radiotaajuussignaalien kuljettamiseen ja käsittelyyn. Nämä signaalit ovat korkeataajuisia. Niiden taajuus on yleensä vähintään 300 kHz ja enintään 300 GHz.

Radiotaajuus eli RF on nimitys sähkömagneettisten aaltojen ryhmälle. Ihmiset käyttävät tätä nimeä, kun aallot voivat toimia radioviestinnässä. RF:n taajuusalue ei ole aina sama eri kirjoissa. Joissakin kirjoissa sanotaan, että RF on 30 MHz:stä 3 GHz:iin. Joissakin kirjoissa sanotaan, että se on 300 MHz:stä 40 GHz:iin. Nämä taajuusalueet voivat olla päällekkäisiä mikroaaltoalueeksi kutsutun taajuusalueen kanssa. Joissakin muissa kirjoissa käytetään eri tapaa jakaa spektri. Niissä sanotaan, että aallot, joiden aallonpituus on 1 megametri - 1 metri, kuuluvat yhteen ryhmään. Näin saadaan taajuudet 30 Hz:stä 300 MHz:iin. RF:n ja mikroaaltojen välinen raja ei ole kovin selvä. Raja voi muuttua, kun osat ja suunnittelumenetelmät paranevat.

RF PCB ja sen tärkeimmät ominaisuudet

Kun suunnittelemme piirilevyn RF-käyttöön, meidän on mietittävä, miten siirtolinjat käyttäytyvät. Piirilevyn johdin tai jälki voidaan mallintaa kahdella tavalla. Yksi on lumped element -malli. Toinen on hajautetun parametrin malli. Yleinen sääntö on tämä. Jos geometrinen pituus l jaettuna aallonpituudella λ on yhtä suuri tai suurempi kuin 0,05, käytämme hajautettua mallia. Tässä huomautuksessa RF-linkillä tarkoitetaan piiriä, jossa siirtojohto tarvitsee hajautettua mallia. Käytännössä piirilevyn jäljen pituus on harvoin yli 50 cm. Voimme siis aloittaa analogisista signaaleista 30 MHz:n taajuudella. Yli 3 GHz:n signaaleja kutsutaan usein mikroaaltosignaaleiksi. Tuotantorajojen vuoksi, joissa elementtiväli voi olla 0,5 mm, ihmiset asettavat joskus ylätaajuudeksi 30 GHz. Se ei kuitenkaan ole aina hyödyllistä.

Näistä kohdista voimme sanoa, että RF PCB on PCB analogisille signaaleille, joiden taajuus on noin 30 MHz - 6 GHz. Valinta lumped- tai hajautetun mallin välillä tulisi noudattaa edellä olevaa kaavaa ja työtaajuutta.

Koska substraatin dielektrisyysvakio on yleensä korkea, aallot liikkuvat levyssä hitaammin kuin ilmassa. Tämä tekee aallonpituudesta lyhyemmän laudalla. Mikroliuska- ja muiden linjojen osalta substraatin dielektrisen häviön on oltava alhainen. Dielektrisyysvakion ei pitäisi muuttua paljon tarvittavalla taajuus- ja lämpötila-alueella. Alustan lämmönjohtavuuden on oltava hyvä ja pinnan sileä. Sen on pysyttävä hyvin kiinni johtimessa.

Jäljellä olevalle metallille tarvitaan korkea johtavuus. Metallilla on oltava pieni lämpötilakerroin. Sen pitäisi tarttua hyvin alustaan. Sen pitäisi olla helppo juottaa.

RF-levymateriaalin valinnan periaatteet

Substraatin rooli mikroaaltopiireissä PCB:ssä

Mikroaaltotaajuuspiirilevy ei ole vain komponenttien tuki. Se on myös mikroaaltojen sähkömagneettisten kenttien väliaine. Niinpä RF-piirejä varten paras valinta on suurtaajuus- tai mikroaaltoluokan substraatti.

Jälki-impedanssin säätö

RF-piirilevyllä painettujen jälkien on noudatettava tavanomaisia sääntöjä, kuten virran kapasiteettia. Lisäksi meidän on valvottava jäljen ominaisimpedanssia. Jälkien impedanssi on sovitettava. Piirilevyprosessissa on siis hallittava jälkiimpedanssi. Jäljen ominaisimpedanssi riippuu piirilevymateriaalista ja sen fyysisistä parametreista. Piirilevysuunnittelijoiden on siis tunnettava materiaalin suorituskyky.

RF-levyjen materiaalivaatimukset

RF-levyt tarvitsevat yleensä korkeataajuus- ja suorituskykyä. Ihmiset valitsevat substraatin, jolla on tarkka dielektrisyysvakio. Alustan on oltava vakaa ja sillä on oltava alhainen häviö. Materiaalin on myös toimittava tuotannon kanssa. Sen on esimerkiksi kestettävä korkean lämpötilan reflow-juottamista. Yrityksemme käyttää usein fr4:ää, TACONICia ja ROGERSin materiaaleja RF-alusmateriaalina.

FR-4 ominaisuudet

fr4:n (liekinkestävä kuparilla päällystetty epoksilasikangas) dielektrisyysvakio Er on 1 GHz:n taajuudella testattuna Er = 4,3 ± 0,2. Lasittumislämpötila Tg on 135 °C. Tavallisissa levyissä käytetään kahdenlaisia levyjä. Toinen on standardilevymateriaali. Se on edullinen ja sillä on kypsä prosessi. Toinen on UV-levy, jota kutsutaan usein keltaiseksi levyksi. Siinä on UV-BLOCKING-ominaisuus, joka estää ultraviolettisäteilyä. Käytämme sitä uloimpiin kerroksiin. Sen suorituskyky on hieman parempi kuin tavallisen levyn.

TACONIC-materiaali

TACONIC on tunnettu tuotemerkki. Sillä on monia ominaisuuksia. Sen hinta on korkeampi kuin fr4.

ROGERS-materiaali

ROGERS-materiaalilla on korkea dielektrisyysvakion tarkkuus. Se on vakaa lämpötilan suhteen ja sillä on alhainen häviö. Käytämme sitä suuritehoisissa piireissä. Piirilevyjen valmistus ja prosessi on samanlainen kuin fr4, joten valmistuskustannukset ovat alhaiset. Kuparifolion tarttuvuus on kuitenkin heikko.

Substraattitaulukko

RF-kysymykset PCB-suunnittelussa ja ratkaisut

Yleisesti ottaen piirien, joiden taajuus on alle mikroaaltotaajuuden (tämä sisältää matalataajuiset ja hidasnopeuksiset digitaaliset piirit), huolellinen asettelu on ensimmäinen avain menestykseen. Jos tunnet säännöt, voit tehdä hyvän suunnittelun. Mikroliuska- ja nopeiden digitaalisten piirien osalta piirilevytasolla voidaan tarvita kaksi tai kolme piirilevyversiota piirin laadun varmistamiseksi. RF-piireissä, joiden taajuus on yli mikroaaltotaajuus, tarvitset useampia versioita suorituskyvyn parantamiseksi. Joten kohtaat monia haasteita RF-piirien suunnittelun aikana.

Seuraavassa luetellaan yleisiä ongelmia ja ratkaisuja.

Yleiset ongelmat RF-piirien suunnittelussa

1. Digitaalisten ja analogisten moduulien väliset häiriöt
   Kun analogiset RF-osat ja digitaaliset osat toimivat yksinään, kumpikin voi toimia hyvin. Mutta kun ne sekoittuvat samalle piirilevylle ja jakavat virran, koko järjestelmä voi muuttua epävakaaksi. Digitaaliset signaalit vaihtelevat maan ja Vcc:n välillä yli 3 V. Jakso voi olla lyhyt, nanosekuntien luokkaa. Koska amplitudi on suuri ja kytkentä on nopea, digitaaliset signaalit sisältävät korkeataajuisia komponentteja, jotka eivät riipu kytkentäkellosta. Analogisessa osassa, viritetystä radiosilmukasta vastaanottimeen, jännite voi olla alle 1 μV. Pienen RF-signaalin ja digitaalisen kohinan välinen ero voi olla yli 120 dB. Jos digitaalisia signaaleja ei pidetä erillään RF-signaalista, heikko RF-signaali voi vahingoittua. Radio voi lakata toimimasta tai toimia huonosti.

2. Virtalähteen häiriöt
   RF-piirit ovat herkkiä kohinalle. Ne ovat herkkiä piikeille ja muille korkeataajuisille harmonisille häiriöille. Mikrokontrolleri vetää yhtäkkiä paljon virtaa jokaisella sisäisellä kellojaksolla. Useimmissa nykyaikaisissa mikrokontrollereissa käytetään CMOS-järjestelmää. Jos mikrokontrolleri toimii 1 MHz:n sisäisellä kellotaajuudella, se ottaa virtaa tällä taajuudella. Jos meillä ei ole hyvää virran irrotusta, saamme jännitekohinaa virtajohtoihin. Jos jännitepiikkejä pääsee RF-virtapinneihin, RF-lohko voi pettää.

3. Huono maasuunnittelu
   Jos maadoitusta ei ole suunniteltu hyvin RF:lle, voi syntyä outoja tuloksia. Digitaalisessa suunnittelussa useimmat piirit toimivat, vaikka maadoitus ei olisikaan täydellinen. Mutta RF:ssä lyhyetkin maadoitusjohdot toimivat induktoreiden tavoin. Esimerkiksi 1 nH:n induktanssi on lähes 1 mm pitkä. Tästä voidaan päätellä, että 10 mm:n pituisella piirilevyn johtimella on reaktanssi noin 27 ohmia. Jos meillä ei ole hyvää maadoitusta, monet maadoitusjäljet ovat pitkiä, eikä piiri pidä suunniteltuja ominaisuuksiaan.

4. Antennin säteily häiritsee muita analogisia piirejä.
   Piirilevyn asettelussa on muita analogisia osia. Monissa piirilevyissä on ADC- tai DAC-piirejä. Lähettimestä tuleva voimakas RF-signaali voi saavuttaa ADC:n tulon. Mikä tahansa jälki voi toimia antennina. Jos ADC:n sisääntulossa ei ole hyvää käsittelyä, RF voi mennä sen ESD-diodiin ja aiheuttaa ADC-offsetia tai virheitä.

RF-piirien suunnittelun periaatteet ja ratkaisut

1. RF-asettelun määritelmä

Kun suunnittelet RF-asettelua, noudata seuraavia sääntöjä.

1. Pidä suuritehovahvistimet (HPA) ja pienikohinavahvistimet (LNA) mahdollisimman kaukana toisistaan. Laita suuritehoiset lähetysosat kauas pienitehoisista vastaanottoosista.

2. Piirilevyn korkeataajuusalueilla on oltava vähintään yksi täysi maataso alla ja vältettävä läpivientejä. Mitä suurempi kuparipinta-ala, sitä parempi.

3. Piirin ja virran erottaminen ovat yhtä tärkeitä.

4. Sijoita RF-ulostulot etäälle RF-tuloista.

5. Laita herkät analogiset signaalit kauas nopeista digitaalisista ja RF-signaaleista.

2. Fyysisen ja sähköisen väliseinän suunnittelusäännöt

Osio tarkoittaa hallituksen jakamista toimintojen mukaan. Voit tehdä fyysisen ja sähköisen osion. Fyysinen osio käsittelee osien asettelua, suuntaa ja suojuksia. Sähköinen osio käsittelee virranjakelua, RF-reititystä, herkkiä osia, signaaleja ja maadoitusalueita.

a. Fysikaalisen osituksen periaatteet

Osien asettelu on avainasemassa hyvässä RF-suunnittelussa. Hyvä menetelmä on sijoittaa osat ensin RF-reitin varrelle. Aseta sitten niiden suunta. Sijoita sisääntulot poispäin ulostuloista. Pidä suuritehoiset ja pienitehoiset osat erillään toisistaan. Tämä auttaa lyhentämään RF-reittejä.

b. PCB:n pinoamisen suunnitteluperiaate

Hyvässä pinoamisessa tärkein maataso on jäljityskerroksen alapuolella olevalla kerroksella. Laita RF-johdot tasokerrokseen. Tee RF-polkujen läpivienneistä pieniä. Tämä vähentää polkujen induktanssia ja vähentää kylmiä juotosliitoksia päämaadoituksessa. Myös RF-energiaa vuotaa vähemmän muihin kerroksiin.

c. RF-osat ja RF-jäljitysperiaatteet

Levytilassa lineaariset piirit, kuten monivaihevahvistimet, voivat erottaa RF-alueet toisistaan. Duplekserit, sekoittimet ja IF-vahvistimet saavat kuitenkin usein monet RF- ja IF-signaalit näkymään lähellä toisiaan. Sinun on huolehdittava tämän kytkennän pienentämisestä. Reititä RF- ja IF-johdot huolellisesti ja jätä niiden väliin maaväliä. Oikea RF-reitti on elintärkeä piirilevyn suorituskyvyn kannalta. Siksi osan asettelu vie suurimman osan ajasta puhelimen piirilevysuunnittelussa.

d. Sähköisen osastoinnin periaate

Suurin osa puhelinpiirien tehosta on matalaa tasavirtaa, joten et tarvitse erityisen leveitä jälkiä. Mutta suuritehoisten vahvistimien tehoa varten on tehtävä leveät jäljet suurta virtaa varten. Tämä pitää jännitehäviön pienenä. Käytä monia läpivientejä virran siirtämiseksi tasolta toiselle, jotta vältät virtahäviöt.

Teho-osien tehon irrottaminen on tärkeää. Jos et onnistu irrottamaan tehoa suuritehoisen vahvistimen nastassa, voi ilmetä monia ongelmia. Suuritehoinen kohina voi säteillä koko levyn läpi. Suuritehoisten vahvistimien maadoitus on erittäin tärkeää. Suunnittelijat tarvitsevat usein metallisen suojapurkin.

e. RF-tulon/lähtöeristyksen periaate

On erittäin tärkeää pitää RF-lähtö kaukana RF-tulosta. Tämä koskee vahvistimia, puskureita ja suodattimia. Pahimmassa tapauksessa, jos vahvistimen tai puskurin ulostulo palaa tuloonsa oikean vaiheen ja amplitudin kanssa, osa voi mennä itsevärähtelyyn. Hyvässä tapauksessa piiri on vakaa kaikissa lämpötiloissa ja jännitteissä. Huonossa tapauksessa se lisää kohinaa ja intermodulaatiota RF-signaaliin.

Yhteenveto

Lyhyesti sanottuna RF-piirit toimivat hajautetuilla parametrilinjoilla. Niissä esiintyy ihovaikutusta ja kytkentää. Tämän vuoksi ne eroavat matalataajuus- ja tasavirtapiireistä. Joten RF-piirilevysuunnittelussa on keskityttävä edellä mainittuihin kohtiin. Jos teet niin, suunnittelu on tehokasta ja tarkkaa.

1. Pidä jäljet mahdollisuuksien mukaan lyhyinä. Lyhyet jäljet vähentävät häviöitä ja ei-toivottua reaktanssia.

2. Käytä oikeaa substraattia tarvittavaa taajuutta varten. fr4 on hyvä monissa tapauksissa. Käytä Rogersia tai PTFE:tä pieniin häviöihin korkeilla taajuuksilla.

3. Jälkien impedanssin säätö. Käytä oikeaa leveyttä ja väliä sekä oikeaa pinoamista. Mittaa tai laske työkalujen avulla.

4. Pidä digitaaliset ja RF-osat erillään. Anna jokaiselle osalle oma maadoituspalautus. Käytä irrotusta virtanastoissa lähellä osaa.

5. Käytä maadoitustasoja ja pieniä läpivientejä RF-palautusta varten. Tämä pienentää induktanssia.

6. Aseta suodattimet ja suojaukset herkkien osien läheisyyteen. Tämä vähentää ei-toivottua poimintakykyä.

7. Testaa prototyypeillä. RF tarvitsee yleensä useita layout- ja virityskierroksia. Pienillä muutoksilla voi olla suuria vaikutuksia korkeilla taajuuksilla.

8. Anna antenneille vapaa alue ja pidä metalli ja muut jäljet poissa. Antennien sovittaminen ja virittäminen vaativat usein levytilaa ja testausta.

9. Kun teet suuritehoisia jälkiä, tee niistä leveitä ja käytä monia läpivientejä, jotta virta kulkee kerrosten välillä.

Tarkistettavat peruskaavat ja -säännöt

1. Käytä arvoa l/λ ≥ 0,05 sen selvittämiseksi, tarvitseeko jälki hajautettua mallia. l on geometrinen pituus. λ on väliaineen työaallonpituus.

2. Induktanssin nopeaa mittaamista varten 1 nH vastaa noin 1 mm:n jälkeä. Tämän avulla voit tarkistaa, lisäävätkö pitkät maadoitukset induktanssia.

3. Impedanssin säätöä varten on tiedettävä pinoaminen, jäljen leveys, dielektrisyysvakio ja etäisyys tasosta. Käytä kenttäratkaisinta tai impedanssilaskuria tarkkojen arvojen saamiseksi.