RF PCB는 무선 주파수 신호를 전달하고 처리하기 위해 만들어진 인쇄 회로 기판(PCB)의 일종입니다. 이러한 신호는 고주파수입니다. 일반적으로 300kHz 이상 최대 300GHz의 주파수를 갖습니다.

무선 주파수 또는 RF는 전자기파의 그룹에 대한 이름입니다. 사람들은 이 파동이 무선 통신에 사용될 수 있을 때 이 이름을 사용합니다. RF의 주파수 범위는 책마다 항상 같은 것은 아닙니다. 어떤 책에서는 RF가 30MHz에서 3GHz라고 말합니다. 어떤 책은 300MHz에서 40GHz라고 말합니다. 이러한 범위는 마이크로파라는 범위와 겹칠 수 있습니다. 다른 책에서는 스펙트럼을 분할하는 다른 방법을 사용합니다. 그들은 파장이 1메가미터에서 1미터인 파장이 한 그룹에 속한다고 말합니다. 이는 30Hz에서 300MHz까지의 주파수를 제공합니다. RF와 마이크로파 사이의 경계는 명확하지 않습니다. 부품과 설계 방법이 개선됨에 따라 경계가 바뀔 수 있습니다.

RF PCB 및 주요 기능

RF용 PCB를 설계할 때는 전송선이 어떻게 작동하는지 고려해야 합니다. PCB의 와이어 또는 트레이스의 경우 두 가지 방법으로 모델링할 수 있습니다. 하나는 일괄 요소 모델입니다. 다른 하나는 분산 파라미터 모델입니다. 일반적인 규칙은 다음과 같습니다. 기하학적 길이 l을 파장 λ로 나눈 값이 0.05보다 크면 분산 모델을 사용합니다. 여기서 RF 링크는 전송 라인에 분산 모델이 필요한 회로를 의미합니다. 실제로 PCB 트레이스 길이는 50cm를 넘는 경우가 거의 없습니다. 따라서 30MHz의 아날로그 신호부터 시작할 수 있습니다. 3GHz 이상의 신호는 흔히 마이크로파라고 합니다. 소자 간격이 0.5mm일 수 있는 생산 제한의 경우, 최고 주파수를 30GHz로 설정하기도 합니다. 하지만 이것이 항상 유용한 것은 아닙니다.

이러한 점에서 RF PCB는 약 30MHz ~ 6GHz의 주파수를 가진 아날로그 신호용 PCB라고 말할 수 있습니다. 일괄형 또는 분산형 모델 중 선택은 위의 공식과 작동 주파수를 따라야 합니다.

기판 유전 상수는 일반적으로 높기 때문에 파동은 공기보다 기판에서 느리게 이동합니다. 따라서 기판에서 파장이 짧아집니다. 마이크로스트립 및 기타 라인의 경우 기판의 유전체 손실이 낮아야 합니다. 유전 상수는 필요한 주파수 및 온도 범위에서 크게 변하지 않아야 합니다. 기판은 열전도율이 좋고 표면이 매끄러워야 합니다. 도체에 잘 달라붙어야 합니다.

흔적의 금속에는 높은 전도성이 필요합니다. 금속은 온도 저항 계수가 작아야 합니다. 기판에 잘 달라붙어야 합니다. 납땜하기 쉬워야 합니다.

RF 기판 소재 선택 원칙

마이크로파 PCB에서 기판의 역할

마이크로파 주파수 PCB는 부품을 지지하는 것만이 아닙니다. 마이크로파 전자기장의 매개체이기도 합니다. 따라서 RF 회로의 경우 고주파 또는 마이크로파 등급 기판을 선택하는 것이 가장 좋습니다.

트레이스 임피던스 제어

RF PCB에서 인쇄된 트레이스는 전류 용량과 같은 일반적인 규칙을 따라야 합니다. 또한 트레이스 특성 임피던스를 제어해야 합니다. 트레이스는 임피던스가 일치해야 합니다. 따라서 PCB 공정은 트레이스 임피던스를 제어해야 합니다. 트레이스의 특성 임피던스는 PCB 재료와 물리적 파라미터에 따라 달라집니다. 따라서 PCB 설계자는 재료 성능을 알아야 합니다.

RF 보드의 재료 요구 사항

RF 보드는 일반적으로 고주파 및 고성능이 필요합니다. 사람들은 정확한 유전율을 가진 기판을 선택합니다. 기판은 안정적이고 손실이 적어야 합니다. 또한 재료는 생산과 함께 작동해야 합니다. 예를 들어 고온 리플로우 납땜을 처리해야 합니다. 우리 회사는 RF 기판 재료로 fr4, TACONIC 및 ROGERS의 재료를 자주 사용합니다.

FR-4 특성

fr4(난연성 구리 피복 에폭시 유리 직물)의 유전율 Er은 1GHz에서 Er = 4.3 ± 0.2로 테스트되었습니다. 유리 전이 온도 Tg는 135°C입니다. 일반 보드의 경우 두 가지 종류의 판을 사용합니다. 하나는 표준 보드 소재입니다. 이는 비용이 저렴하고 공정이 성숙되어 있습니다. 다른 하나는 흔히 옐로우 보드라고 불리는 UV 보드입니다. 자외선을 차단하는 UV-BLOCKING 기능이 있습니다. 우리는 외부 레이어에 사용합니다. 그 성능은 표준 판보다 조금 더 좋습니다.

타코닉 자료

타코닉 는 잘 알려진 브랜드입니다. 많은 사양을 갖추고 있습니다. 가격은 fr4보다 높습니다.

로저스 소재

로저스 소재는 유전율 정확도가 높습니다. 온도에 안정적이며 손실이 적습니다. 고전력 회로에 사용합니다. PCB 제작 및 공정이 FR4와 유사하여 제작 비용이 저렴합니다. 하지만 동박 접착력이 낮습니다.

기판 테이블

PCB 설계 및 솔루션의 RF 문제

일반적으로 마이크로파 이하의 주파수를 가진 회로(저주파 및 저속 디지털 포함)의 경우 신중한 레이아웃이 성공의 첫 번째 열쇠입니다. 규칙을 알면 좋은 디자인을 만들 수 있습니다. PCB 레벨의 마이크로 스트립 및 고속 디지털 회로의 경우 회로 품질을 보장하기 위해 두세 개의 PCB 버전이 필요할 수 있습니다. 마이크로파 이상의 주파수를 가진 RF 회로의 경우 성능을 향상시키기 위해 더 많은 버전이 필요합니다. 따라서 RF 회로 설계 시 많은 도전에 직면하게 됩니다.

아래에는 일반적인 문제와 해결 방법이 나와 있습니다.

RF 회로 설계의 일반적인 문제

1. 디지털 모듈과 아날로그 모듈 간의 간섭
   아날로그 RF 부품과 디지털 부품은 각각 단독으로 작동하면 잘 작동할 수 있습니다. 하지만 같은 보드에 섞여 전력을 공유하면 전체 시스템이 불안정해질 수 있습니다. 디지털 신호는 접지와 Vcc 사이에서 3V 이상 스윙하며, 그 주기는 나노초 범위로 짧을 수 있습니다. 진폭이 크고 스위칭이 빠르기 때문에 디지털 신호에는 스위칭 클럭에 의존하지 않는 고주파 성분이 포함됩니다. 아날로그 부분에서는 튜닝된 라디오 루프에서 수신기까지 전압이 1μV 미만일 수 있습니다. 작은 RF 신호와 디지털 노이즈의 차이는 120dB 이상일 수 있습니다. 디지털 신호가 RF에서 멀리 떨어져 있지 않으면 약한 RF 신호가 손상될 수 있습니다. 무전기가 작동을 멈추거나 제대로 작동하지 않을 수 있습니다.

2. 전원 공급 장치 노이즈 간섭
   RF 회로는 잡음에 민감합니다. 스파이크 및 기타 고주파 고조파에 민감합니다. 마이크로 컨트롤러는 각 내부 클록 사이클에서 갑자기 많은 전류를 소비합니다. 대부분의 최신 마이크로컨트롤러는 CMOS를 사용합니다. 마이크로 컨트롤러가 1MHz 내부 클럭으로 실행되는 경우 해당 속도로 전류를 소비합니다. 전력 디커플링이 제대로 이루어지지 않으면 전원 라인에 전압 노이즈가 발생합니다. 전압 스파이크가 RF 전원 핀에 도달하면 RF 블록이 고장날 수 있습니다.

3. 잘못된 접지 설계
   접지가 RF에 적합하게 설계되지 않은 경우 이상한 결과가 발생할 수 있습니다. 디지털 설계에서는 접지가 완벽하지 않더라도 대부분의 회로가 여전히 작동합니다. 하지만 RF에서는 짧은 접지선도 인덕터처럼 작동합니다. 예를 들어 1nH의 인덕턴스는 길이가 1mm에 가깝습니다. 이를 통해 10mm 길이의 PCB 트레이스는 약 27옴의 리액턴스를 가지고 있다고 추측할 수 있습니다. 접지가 양호하지 않으면 많은 접지 트레이스가 길어지고 회로가 설계된 특성을 유지하지 못합니다.

4. 다른 아날로그 회로에 간섭을 일으키는 안테나 방사
   PCB 레이아웃에는 다른 아날로그 부품도 있습니다. 많은 보드에는 ADC 또는 DAC가 있습니다. 송신기의 강력한 RF 신호가 ADC 입력에 도달할 수 있습니다. 모든 트레이스는 안테나처럼 작동할 수 있습니다. ADC 입력이 제대로 처리되지 않으면 RF가 ESD 다이오드로 들어가 ADC 오프셋 또는 오류를 일으킬 수 있습니다.

RF 회로 설계 원리 및 솔루션

1. RF 레이아웃의 정의

RF 레이아웃을 설계할 때는 다음 규칙을 따르세요.

1. 고출력 증폭기(HPA)와 저잡음 증폭기(LNA)는 가능한 한 멀리 떨어뜨려 놓으세요. 고전력 송신 부품을 저전력 수신 부품에서 멀리 배치하세요.

2. PCB의 고주파 영역에는 아래에 적어도 하나의 전체 접지면을 두고 비아를 피하세요. 구리 면적이 넓을수록 좋습니다.

3. 회로와 전력 디커플링도 마찬가지로 중요합니다.

4. RF 출력을 RF 입력에서 멀리 배치합니다.

5. 민감한 아날로그 신호를 고속 디지털 및 RF 신호에서 멀리 떨어뜨려 놓으세요.

2. 물리적 파티션 및 전기적 파티션 설계 규칙

파티션은 기능별로 보드를 분할하는 것을 의미합니다. 물리적 파티션과 전기적 파티션을 할 수 있습니다. 물리적 파티션은 부품 레이아웃, 방향 및 실드를 다룹니다. 전기 파티션은 전력 분배, RF 라우팅, 민감한 부품, 신호 및 접지 구역을 다룹니다.

a. 물리적 파티션 원칙

부품 레이아웃은 좋은 RF 설계의 핵심입니다. 좋은 방법은 먼저 RF 경로를 따라 부품을 배치하는 것입니다. 그런 다음 방향을 설정합니다. 입력을 출력에서 멀리 배치합니다. 고전력 부품과 저전력 부품을 분리하세요. 이렇게 하면 RF 경로를 단축하는 데 도움이 됩니다.

b. PCB 스택업 설계 원리

좋은 스택업은 트레이스 레이어 아래 레이어에 주 접지면을 배치합니다. 평면 레이어에 RF 트레이스를 배치합니다. RF 경로의 비아를 작게 만듭니다. 이렇게 하면 경로 인덕턴스가 감소하고 주 접지의 콜드 솔더 조인트가 줄어듭니다. 또한 다른 레이어로 누출되는 RF 에너지도 줄어듭니다.

c. RF 부품 및 RF 추적 원리

보드 공간에서 다단 증폭기와 같은 선형 회로는 RF 영역을 분리할 수 있습니다. 그러나 듀플렉서, 믹서 및 IF 증폭기는 종종 많은 RF 및 IF 신호가 서로 가까이 나타나게 합니다. 이 커플링을 낮추도록 주의해야 합니다. RF와 IF 트레이스를 신중하게 라우팅하고 그 사이에 접지 공간을 남겨두세요. 올바른 RF 경로는 PCB 성능에 필수적입니다. 그렇기 때문에 휴대폰 PCB 설계에서 부품 레이아웃에 가장 많은 시간이 소요됩니다.

d. 전기 파티션 원리

전화 회로의 대부분의 전력은 낮은 DC이므로 특별한 와이드 트레이스가 필요하지 않습니다. 하지만 고전력 증폭기에 전력을 공급하려면 고전류를 위해 넓은 트레이스를 만들어야 합니다. 이렇게 하면 전압 강하를 작게 유지할 수 있습니다. 전류 손실을 방지하기 위해 많은 비아를 사용하여 한 평면에서 다른 평면으로 전류를 이동하세요.

전원 부품의 전원 디커플링은 중요합니다. 고전력 증폭기 핀에서 전원을 분리하지 못하면 많은 문제가 발생할 수 있습니다. 고전력 노이즈가 전반적으로 퍼질 수 있습니다. 고전력 증폭기의 접지는 매우 중요합니다. 설계자는 종종 금속 실드 캔이 필요합니다.

e. RF 입력/출력 절연 원리

RF 출력을 RF 입력에서 멀리 떨어뜨리는 것이 매우 중요합니다. 이는 증폭기, 버퍼 및 필터에 적용됩니다. 최악의 경우 증폭기 또는 버퍼 출력이 올바른 위상과 진폭으로 입력으로 돌아오면 부품이 자체 진동에 빠질 수 있습니다. 좋은 경우에는 회로가 모든 온도와 전압에서 안정적입니다. 나쁜 경우에는 RF 신호에 노이즈와 상호 변조가 추가됩니다.

요약

간단히 말해, RF 회로는 분산된 파라미터 라인으로 작동합니다. 스킨 효과와 커플링을 보여줍니다. 따라서 저주파 및 DC 회로와 다릅니다. 따라서 RF PCB 설계에서는 위의 사항에 중점을 두어야 합니다. 그렇게하면 설계가 효과적이고 정확할 것입니다.

1. 가능하면 트레이스를 짧게 유지하세요. 트레이스가 짧으면 손실과 원치 않는 리액턴스를 줄일 수 있습니다.

2. 필요한 주파수에 적합한 기판을 사용하세요. 대부분의 경우 fr4를 사용해도 괜찮습니다. 고주파에서 손실이 적으려면 로저스 또는 PTFE를 사용하세요.

3. 트레이스의 임피던스를 제어합니다. 올바른 폭과 간격을 사용하고 쌓아 올리세요. 도구를 사용하여 측정하거나 계산합니다.

4. 디지털 부품과 RF 부품을 분리하세요. 각 섹션에 자체 접지 리턴을 제공합니다. 부품에 가까운 전원 핀에서 디커플링을 사용합니다.

5. RF 리턴을 위해 접지면과 작은 비아를 사용합니다. 이렇게 하면 인덕턴스가 낮아집니다.

6. 민감한 부품 근처에 필터와 차폐막을 배치하세요. 이렇게 하면 원치 않는 픽업을 줄일 수 있습니다.

7. 프로토타입으로 테스트하세요. RF는 일반적으로 여러 차례의 레이아웃과 튜닝이 필요합니다. 작은 변화도 높은 주파수에서 큰 효과를 낼 수 있습니다.

8. 안테나의 경우 깨끗한 공간을 확보하고 금속이나 기타 흔적이 남지 않도록 하세요. 안테나 매칭 및 튜닝에는 보드 공간과 테스트가 필요한 경우가 많습니다.

9. 고전력 트레이스를 만들 때는 트레이스를 넓게 만들고 많은 비아를 사용하여 레이어 간에 전류를 전달하세요.

확인해야 할 기본 공식 및 규칙

1. 트레이스에 분산 모델이 필요한지 확인하려면 l/λ ≥ 0.05를 사용합니다. l은 기하학적 길이, λ은 매체의 작동 파장입니다.

2. 빠른 인덕턴스 감지를 위해 1nH는 약 1mm의 트레이스입니다. 이를 사용하여 긴 접지가 인덕턴스를 추가하는지 확인합니다.

3. 임피던스 제어를 위해서는 스택업, 트레이스 폭, 유전 상수 및 평면까지의 거리를 알아야 합니다. 정확한 값을 얻으려면 필드 솔버 또는 임피던스 계산기를 사용하세요.