Bảng mạch in tần số vô tuyến (RF PCB) là một loại bảng mạch in (PCB) được thiết kế để truyền dẫn và xử lý các tín hiệu tần số vô tuyến. Đây là những tín hiệu có tần số cao, thường nằm trong khoảng từ 300 kHz trở lên và lên đến 300 GHz.

Tần số vô tuyến, hay RF, là tên gọi chung cho một nhóm sóng điện từ. Người ta sử dụng thuật ngữ này khi các sóng này được ứng dụng trong truyền thông vô tuyến. Dải tần số của RF không phải lúc nào cũng giống nhau trong các tài liệu khác nhau. Một số tài liệu cho rằng RF nằm trong khoảng từ 30 MHz đến 3 GHz. Một số khác lại cho rằng nó nằm trong khoảng từ 300 MHz đến 40 GHz. Các dải tần số này có thể trùng lặp với dải tần số được gọi là vi sóng. Một số tài liệu khác lại sử dụng cách phân chia phổ tần số khác. Họ cho rằng các sóng có bước sóng từ 1 megamét đến 1 mét thuộc về một nhóm. Điều này tương ứng với dải tần số từ 30 Hz đến 300 MHz. Ranh giới giữa RF và vi sóng không rõ ràng lắm. Ranh giới này có thể thay đổi khi các linh kiện và phương pháp thiết kế ngày càng được cải tiến.

Bảng mạch in tần số vô tuyến (RF PCB) và các đặc điểm chính của nó

Khi thiết kế một bảng mạch in (PCB) cho ứng dụng tần số vô tuyến (RF), chúng ta phải xem xét cách thức hoạt động của các đường truyền. Đối với một sợi dây hoặc đường dẫn trên PCB, chúng ta có thể mô hình hóa nó theo hai cách. Một là mô hình phần tử tập trung. Cách còn lại là mô hình tham số phân bố. Một quy tắc chung như sau: Nếu độ dài hình học l chia cho bước sóng λ bằng hoặc lớn hơn 0,05, thì chúng ta sử dụng mô hình phân bố. Trong bài viết này, liên kết RF có nghĩa là một mạch trong đó đường truyền cần mô hình phân bố. Trong thực tế, chiều dài đường dẫn PCB hiếm khi dài hơn 50 cm. Vì vậy, chúng ta có thể bắt đầu từ các tín hiệu tương tự ở 30 MHz. Các tín hiệu trên 3 GHz thường được gọi là vi sóng. Đối với các giới hạn sản xuất mà khoảng cách giữa các phần tử có thể là 0,5 mm, người ta đôi khi đặt tần số tối đa là 30 GHz. Nhưng điều đó không phải lúc nào cũng hữu ích.

Từ những điểm trên, có thể nói rằng PCB RF là loại PCB dành cho tín hiệu tương tự có tần số trong khoảng từ 30 MHz đến 6 GHz. Việc lựa chọn giữa mô hình tập trung hay phân tán cần tuân theo công thức trên và tần số làm việc.

Do hằng số điện môi của chất nền thường cao, nên sóng truyền chậm hơn trên bảng mạch so với trong không khí. Điều này làm cho bước sóng trên bảng mạch ngắn hơn. Đối với các đường truyền dải siêu mỏng và các loại đường truyền khác, chất nền phải có tổn thất điện môi thấp. Hằng số điện môi không nên thay đổi nhiều trong dải tần số và nhiệt độ cần thiết. Chất nền phải có độ dẫn nhiệt tốt và bề mặt nhẵn. Nó phải bám dính tốt với dây dẫn.

Đối với lớp kim loại trên đường mạch, chúng ta cần độ dẫn điện cao. Kim loại này phải có hệ số nhiệt độ điện trở nhỏ. Nó phải bám dính tốt vào chất nền. Nó phải dễ hàn.

Các nguyên tắc lựa chọn vật liệu cho bảng mạch RF

Vai trò của chất nền trong bảng mạch in (PCB) vi sóng

Một bảng mạch in (PCB) tần số vi sóng không chỉ là nơi gắn các linh kiện. Nó còn là môi trường truyền dẫn cho các trường điện từ vi sóng. Do đó, đối với các mạch RF, lựa chọn tốt nhất là chất nền loại tần số cao hoặc loại vi sóng.

Kiểm soát trở kháng đường truyền

Trên bảng mạch in tần số vô tuyến (RF PCB), các đường dẫn in phải tuân thủ các quy tắc thông thường như khả năng chịu dòng điện. Ngoài ra, chúng ta phải kiểm soát trở kháng đặc trưng của đường dẫn. Các đường dẫn phải có trở kháng tương thích với nhau. Do đó, quy trình sản xuất PCB phải kiểm soát trở kháng của đường dẫn. Trở kháng đặc trưng của một đường dẫn phụ thuộc vào vật liệu PCB và các thông số vật lý của nó. Vì vậy, các nhà thiết kế PCB phải nắm rõ các đặc tính kỹ thuật của vật liệu.

Yêu cầu về vật liệu đối với bảng mạch RF

Các bảng mạch RF thường đòi hỏi tần số cao và hiệu suất cao. Người ta thường lựa chọn vật liệu nền có hằng số điện môi chính xác. Vật liệu nền phải ổn định và có độ suy hao thấp. Ngoài ra, vật liệu phải phù hợp với quy trình sản xuất. Ví dụ, nó phải chịu được nhiệt độ cao trong quá trình hàn lại bằng nhiệt. Công ty chúng tôi thường sử dụng các vật liệu như FR4, TACONIC và các sản phẩm của ROGERS làm vật liệu nền cho mạch RF.

Đặc tính của FR-4

FR4 (vật liệu sợi thủy tinh phủ epoxy và đồng có tính chống cháy) có hằng số điện môi Er được đo ở tần số 1 GHz là Er = 4,3 ± 0,2. Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg là 135 °C. Đối với các bảng mạch thông thường, chúng tôi sử dụng hai loại tấm. Một loại là vật liệu bảng mạch tiêu chuẩn. Loại này có chi phí thấp và quy trình sản xuất đã hoàn thiện. Loại còn lại là bảng mạch UV, thường được gọi là bảng mạch màu vàng. Loại này có tính năng chặn tia cực tím (UV-BLOCKING). Chúng tôi sử dụng loại này cho các lớp bên ngoài. Hiệu suất của nó tốt hơn một chút so với tấm tiêu chuẩn.

Vật liệu TACONIC

TACONIC là một thương hiệu nổi tiếng. Sản phẩm này có nhiều thông số kỹ thuật. Giá của nó cao hơn 4.000 đồng.

Vật liệu ROGERS

Vật liệu ROGERS có độ chính xác cao về hằng số điện môi. Nó ổn định theo nhiệt độ và có tổn hao thấp. Chúng tôi sử dụng vật liệu này cho các mạch công suất cao. Quy trình sản xuất và gia công PCB tương tự như FR4 nên chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, độ bám dính của lá đồng lại thấp.

Bảng chất nền

Các vấn đề về sóng vô tuyến (RF) trong thiết kế mạch in (PCB) và các giải pháp

Nói chung, đối với các mạch có tần số dưới dải vi sóng (bao gồm cả mạch tần số thấp và mạch số tốc độ thấp), việc bố trí mạch cẩn thận là yếu tố then chốt đầu tiên dẫn đến thành công. Nếu nắm vững các quy tắc, bạn có thể tạo ra một thiết kế tốt. Đối với mạch dải vi sóng và mạch số tốc độ cao ở cấp độ PCB, có thể cần hai hoặc ba phiên bản PCB để đảm bảo chất lượng mạch. Đối với các mạch RF có tần số trên dải vi sóng, bạn sẽ cần nhiều phiên bản hơn để cải thiện hiệu suất. Do đó, bạn sẽ phải đối mặt với nhiều thách thức trong quá trình thiết kế mạch RF.

Dưới đây là danh sách các vấn đề thường gặp và cách khắc phục.

Các vấn đề thường gặp trong thiết kế mạch RF

1. Sự can thiệp giữa các mô-đun kỹ thuật số và mô-đun tương tự
   Khi các linh kiện RF tương tự và các linh kiện kỹ thuật số hoạt động riêng lẻ, mỗi loại đều có thể hoạt động tốt. Tuy nhiên, khi chúng được tích hợp trên cùng một bo mạch và chia sẻ nguồn điện, toàn bộ hệ thống có thể trở nên không ổn định. Các tín hiệu kỹ thuật số dao động giữa mức đất (ground) và Vcc với biên độ lớn hơn 3 V. Thời gian dao động có thể rất ngắn, ở mức nano giây. Do biên độ lớn và tốc độ chuyển mạch nhanh, các tín hiệu kỹ thuật số chứa các thành phần tần số cao không phụ thuộc vào đồng hồ chuyển mạch. Trong phần analog, từ vòng lặp radio được điều chỉnh đến bộ thu, điện áp có thể nhỏ hơn 1 μV. Sự khác biệt giữa tín hiệu RF nhỏ và nhiễu kỹ thuật số có thể lớn hơn 120 dB. Nếu tín hiệu kỹ thuật số không được cách ly khỏi RF, tín hiệu RF yếu có thể bị hỏng. Radio có thể ngừng hoạt động hoặc hoạt động kém.

2. Nhiễu từ nguồn điện
   Các mạch RF rất nhạy cảm với nhiễu. Chúng dễ bị ảnh hưởng bởi các đỉnh điện áp và các sóng hài tần số cao khác. Vi điều khiển sẽ đột ngột tiêu thụ một lượng lớn dòng điện tại mỗi chu kỳ đồng hồ nội bộ. Hầu hết các vi điều khiển hiện đại sử dụng công nghệ CMOS. Nếu một vi điều khiển chạy với đồng hồ nội bộ 1 MHz, nó sẽ tiêu thụ dòng điện với tốc độ đó. Nếu không có hệ thống cách ly nguồn điện tốt, chúng ta sẽ gặp nhiễu điện áp trên các đường dây nguồn. Nếu các đỉnh điện áp xâm nhập vào các chân nguồn RF, khối RF có thể bị hỏng.

3. Thiết kế nền móng kém
   Nếu mạch nối đất không được thiết kế phù hợp cho tần số vô tuyến (RF), có thể xảy ra những hiện tượng bất thường. Trong thiết kế kỹ thuật số, hầu hết các mạch vẫn hoạt động ngay cả khi mặt đất không hoàn hảo. Nhưng trong RF, ngay cả những dây nối đất ngắn cũng hoạt động như cuộn cảm. Ví dụ, độ tự cảm 1 nH tương đương với chiều dài khoảng 1 mm. Từ đó, chúng ta có thể đoán rằng một đường dẫn PCB dài 10 mm có điện kháng khoảng 27 ohm. Nếu không có mặt đất tốt, nhiều đường dẫn nối đất sẽ dài và mạch sẽ không giữ được các đặc tính thiết kế.

4. Sóng phát ra từ ăng-ten gây nhiễu cho các mạch tương tự khác
   Trong thiết kế mạch in (PCB), còn có các linh kiện tương tự khác. Nhiều bo mạch được trang bị bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) hoặc bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC). Một tín hiệu tần số vô tuyến (RF) mạnh từ bộ phát có thể xâm nhập vào đầu vào của ADC. Bất kỳ đường dẫn nào cũng có thể hoạt động như một ăng-ten. Nếu đầu vào của ADC không được xử lý tốt, tín hiệu RF có thể đi vào đi-ốt chống tĩnh điện (ESD) của nó và gây ra sai lệch hoặc lỗi cho ADC.

Các nguyên tắc và giải pháp thiết kế mạch RF

1. Định nghĩa về thiết kế mạch RF

Khi thiết kế mạch RF, hãy tuân thủ các quy tắc sau.

1. Hãy đặt các bộ khuếch đại công suất cao (HPA) và các bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA) cách xa nhau nhất có thể. Đặt các bộ phận phát công suất cao cách xa các bộ phận thu công suất thấp.

2. Ở các khu vực có mật độ đường mạch cao trên bảng mạch in (PCB), cần bố trí ít nhất một lớp mặt đất liền mạch ở phía dưới và tránh đặt các lỗ vias trên đó. Diện tích đồng càng lớn thì càng tốt.

3. Việc tách mạch và tách nguồn đều quan trọng như nhau.

4. Đặt các đầu ra RF cách xa các đầu vào RF.

5. Hãy đặt các tín hiệu tương tự nhạy cảm cách xa các tín hiệu số tốc độ cao và tín hiệu RF.

2. Các nguyên tắc thiết kế vách ngăn vật lý và vách ngăn điện

Phân vùng có nghĩa là chia bảng mạch theo chức năng. Bạn có thể thực hiện phân vùng vật lý và phân vùng điện. Phân vùng vật lý liên quan đến bố trí linh kiện, hướng và lớp chắn. Phân vùng điện liên quan đến phân phối nguồn, định tuyến RF, các linh kiện nhạy cảm, tín hiệu và vùng nối đất.

a. Các nguyên tắc phân vùng vật lý

Việc bố trí linh kiện là yếu tố then chốt để có một thiết kế RF tốt. Một phương pháp hiệu quả là trước tiên hãy bố trí các linh kiện dọc theo đường truyền RF. Sau đó, xác định hướng của chúng. Đặt các đầu vào cách xa các đầu ra. Giữ khoảng cách giữa các linh kiện công suất cao và công suất thấp. Điều này giúp rút ngắn đường truyền RF.

b. Nguyên tắc thiết kế cấu trúc lớp PCB

Một cấu trúc lớp mạch hợp lý sẽ đặt mặt phẳng nối đất chính ở lớp nằm dưới lớp đường dẫn. Đặt các đường dẫn RF trên lớp mặt phẳng nối đất. Tạo các lỗ vias trên các đường dẫn RF có kích thước nhỏ. Điều này giúp giảm điện cảm của đường dẫn và giảm hiện tượng mối hàn lạnh trên mặt phẳng nối đất chính. Đồng thời, lượng năng lượng RF rò rỉ sang các lớp khác cũng sẽ ít hơn.

c. Các linh kiện RF và nguyên lý hoạt động của đường dẫn RF

Trong không gian bảng mạch, các mạch tuyến tính như bộ khuếch đại nhiều tầng có thể tách biệt các vùng tần số vô tuyến (RF). Tuy nhiên, các bộ ghép kênh, bộ trộn và bộ khuếch đại tần số trung gian (IF) thường khiến nhiều tín hiệu RF và IF xuất hiện gần nhau. Bạn cần chú ý giảm thiểu hiện tượng ghép kênh này. Hãy bố trí các đường dẫn tín hiệu RF và IF một cách cẩn thận và chừa khoảng trống nối đất giữa chúng. Đường dẫn RF phù hợp là yếu tố then chốt đối với hiệu suất của bảng mạch in (PCB). Đó là lý do tại sao việc bố trí linh kiện chiếm phần lớn thời gian trong quá trình thiết kế PCB cho điện thoại.

d. Nguyên lý phân vùng điện

Hầu hết nguồn điện trong mạch điện thoại là dòng điện một chiều (DC) có cường độ thấp, do đó bạn không cần phải thiết kế các đường dẫn rộng đặc biệt. Tuy nhiên, đối với nguồn cấp cho các bộ khuếch đại công suất cao, bạn phải thiết kế các đường dẫn rộng để dẫn dòng điện lớn. Điều này giúp giảm thiểu sụt áp. Hãy sử dụng nhiều lỗ thông (vias) để dẫn dòng điện từ mặt phẳng này sang mặt phẳng khác nhằm tránh tổn thất dòng điện.

Việc cách ly nguồn cho các linh kiện nguồn là rất quan trọng. Nếu không thực hiện cách ly nguồn tại chân của bộ khuếch đại công suất cao, nhiều sự cố có thể xảy ra. Nhiễu công suất cao có thể lan truyền khắp bảng mạch. Việc nối đất cho bộ khuếch đại công suất cao là vô cùng quan trọng. Các nhà thiết kế thường cần sử dụng vỏ chắn kim loại.

e. Nguyên lý cách ly đầu vào/đầu ra tần số vô tuyến

Việc giữ cho tín hiệu đầu ra RF cách xa tín hiệu đầu vào RF là rất quan trọng. Điều này áp dụng cho các bộ khuếch đại, bộ đệm và bộ lọc. Trong trường hợp xấu nhất, nếu tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại hoặc bộ đệm quay trở lại đầu vào với cùng pha và biên độ, thiết bị có thể rơi vào trạng thái tự dao động. Trong trường hợp tốt nhất, mạch sẽ ổn định ở mọi nhiệt độ và điện áp. Trong trường hợp xấu, nó sẽ gây ra nhiễu và hiện tượng biến dạng giao thoa cho tín hiệu RF.

Tóm tắt

Tóm lại, các mạch RF hoạt động dựa trên các đường truyền có thông số phân bố. Chúng thể hiện hiện tượng hiệu ứng bề mặt và hiện tượng ghép nối. Điều này khiến chúng khác biệt so với các mạch tần số thấp và mạch dòng điện một chiều. Do đó, trong thiết kế PCB RF, bạn cần chú trọng đến các điểm nêu trên. Nếu làm được điều đó, thiết kế sẽ đạt hiệu quả và độ chính xác cao.

1. Hãy giữ cho các đường dẫn càng ngắn càng tốt. Các đường dẫn ngắn giúp giảm tổn thất và điện kháng không mong muốn.

2. Hãy sử dụng vật liệu nền phù hợp với dải tần số cần thiết. FR4 là lựa chọn phù hợp trong nhiều trường hợp. Nên sử dụng Rogers hoặc PTFE để giảm thiểu tổn hao ở dải tần số cao.

3. Kiểm soát trở kháng của đường dẫn. Sử dụng chiều rộng, khoảng cách và cấu trúc lớp phù hợp. Đo lường hoặc tính toán bằng các công cụ.

4. Giữ các linh kiện kỹ thuật số và RF tách biệt. Đảm bảo mỗi phần có đường nối đất riêng. Sử dụng mạch khử nhiễu tại các chân cấp nguồn gần linh kiện.

5. Sử dụng các lớp mặt phẳng và các lỗ vias nhỏ cho đường dẫn trở về tần số vô tuyến (RF). Điều này giúp giảm độ tự cảm.

6. Đặt các bộ lọc và lớp che chắn gần các bộ phận nhạy cảm. Điều này giúp giảm thiểu hiện tượng thu nhận tín hiệu không mong muốn.

7. Thử nghiệm với các mẫu thử. Mạch RF thường cần nhiều vòng thiết kế bố trí và điều chỉnh. Những thay đổi nhỏ có thể tạo ra tác động lớn ở tần số cao.

8. Đối với ăng-ten, hãy dành một khu vực trống và tránh đặt các bộ phận kim loại cũng như các đường mạch khác gần đó. Việc điều chỉnh và đồng bộ hóa ăng-ten thường đòi hỏi không gian trên bảng mạch và cần phải kiểm tra.

9. Khi thiết kế các đường dẫn công suất cao, hãy thiết kế chúng có chiều rộng lớn và sử dụng nhiều lỗ vias để dẫn dòng điện giữa các lớp.

Các công thức và quy tắc cơ bản cần kiểm tra

1. Sử dụng tỷ số l/λ ≥ 0,05 để xác định xem một đường cong có cần mô hình phân bố hay không. l là độ dài hình học. λ là bước sóng làm việc trong môi trường.

2. Để đo điện cảm nhanh, 1 nH tương đương với khoảng 1 mm đường mạch. Hãy sử dụng thông tin này để kiểm tra xem các đường nối đất dài có làm tăng điện cảm hay không.

3. Để kiểm soát trở kháng, cần nắm rõ cấu trúc lớp, chiều rộng đường dẫn, hằng số điện môi và khoảng cách đến mặt phẳng. Sử dụng phần mềm tính toán trường điện từ hoặc công cụ tính toán trở kháng để thu được các giá trị chính xác.