Deseño de PCB de alta frecuencia: factores que afectan o rendemento do sinal de RF
Co aumento da tecnoloxía Internet das cousas, cada vez é máis común que os produtos electrónicos leven funcións de comunicación sen fíos e a tecnoloxía de comunicación sen fíos confía no circuíto de RF do PCB. Desafortunadamente, incluso os deseñadores de PCB, para os circuítos de RF, tamén son a miúdo prohibitivos, porque trae enormes desafíos de deseño e require ferramentas profesionais de análise de deseño e simulación. Debido a isto, durante moitos anos, a parte de RF do PCB foi deseñada por deseñadores independentes con experiencia en deseño de RF.
O enxeñeiro de deseño de circuítos de RF saíu de 18 artes marciais, despois dunha feroz operación, deseñou o deseño do circuíto de RF a continuación e exportou o formato DXF ao deseño de PCB para copiar. Non é legal?
Despois de que o deseño de PCB Siege Lion importase o ficheiro en formato DXF do circuíto RF, descubriu que a traza ten ángulos rectos e cantos afiados. Pensei para min, emmm, esta frecuencia de radio é auga real e o salario é superior ao traballo e ao capital, polo que non é necesario evitar o achaflanado e a transición de arco. Comprenda e, a continuación, optimice de novo o enrutamento da parte do circuíto de RF
resultado ...
Para evitar malentendidos no futuro, as bacterias de radiofrecuencia chamaron ás bacterias de deseño despois de saír do traballo, pecharon a porta e o mango para guiar algúns puntos relacionados co deseño de PCB de radiofrecuencia.
Segundo a teoría do circuíto de radiofrecuencia, cando se pode comparar a lonxitude de onda do sinal transmitido na liña de conexión do sinal co tamaño xeométrico do elemento do circuíto discreto, a almofada do pin IC de radiofrecuencia, a liña de transmisión do sinal de radiofrecuencia en o PCB, o dispositivo pasivo de radiofrecuencia, Vias e incluso o cobre conectado a terra son factores importantes que afectan seriamente o rendemento dos sinais de RF.
A liña Microstrip é unha opción ideal para a transmisión de sinal de alta frecuencia no PCB. A menos que a distancia de conexión entre IC e antena sexa moi curta, use un cable coaxial ou unha liña de transmisión con impedancia característica que coincida. Na placa de circuíto impreso, é mellor usar unha liña de transmisión microstrip coa estrutura que se mostra na seguinte figura.
A liña de transmisión de microstrip inclúe un trazo metálico de ancho fixo (condutor) e unha área de terra xusto debaixo (capa adxacente). Por exemplo, as pegadas na capa 1 (metal superior) requiren unha área de chan sólida na capa 2. O ancho da traza, o grosor da capa dieléctrica e o tipo de dieléctrico determinan a impedancia característica (normalmente 50Ω ou 75Ω).
Por suposto, ademais da liña de microstrip, tamén hai unha liña de transmisión común é a liña de strip, como se mostra na figura seguinte
A liña de trazado inclúe trazas de ancho fixo na capa interna e áreas de terra por riba e por debaixo dela. O condutor pódese situar no medio da zona do chan ou ter un certo desprazamento. Este método é adecuado para o encamiñamento interno por radiofrecuencia.
Dado que a liña stripline tamén é axeitada para o encamiñamento por RF, por que di Lao Wu que a liña microstrip é a opción ideal para a transmisión de sinal de alta frecuencia no PCB?
Tanto se se trata dunha liña de microstrip como dunha liña de banda, ambas teñen un excelente rendemento na transmisión de frecuencias de onda milimétricas e a diferenza reside no custo de fabricación.
En comparación cos circuítos stripline, os circuítos microstrip teñen menos pasos de procesamento e os compoñentes do circuíto son máis fáciles de colocar e, polo tanto, máis fáciles de fabricar (custos de fabricación máis baixos). En comparación coas liñas de microstrip, as liñas de strip poden proporcionar máis illamento ás liñas de circuíto adxacentes e soportar un deseño de compoñentes máis denso. Ademais, os circuítos stripline tamén son moi axeitados para a fabricación de placas de circuítos multicapa e cada capa pode estar ben illada.
As constantes dieléctricas do material illante e o efecto de proximidade da capa de terra afectan ás propiedades eléctricas dos condutores de microstrip e raia. A liña de microstrip só ten un plano de terra, mentres que a liña de banda ten dous planos de terra. Para unha liña microstrip, a constante dieléctrica efectiva que afecta a impedancia do condutor é a suma da constante dieléctrica relativa do material illante e do aire por encima do circuíto (igual a 1). A constante dieléctrica efectiva da liña de tira é a suma das constantes dieléctricas relativas dos substratos superior e inferior do condutor.
Como ocorre con todos os circuítos de alta frecuencia, manter a impedancia baixo control é fundamental para lograr un rendemento eléctrico consistente en amplitude e resposta de fase. A impedancia dos condutores das dúas liñas de transmisión é, entre outros factores, unha función do ancho do condutor, o grosor do condutor, o grosor do substrato illante e a permitividade relativa ou constante dieléctrica do substrato. Para as liñas de tiras, non importa se a distancia entre o condutor central e os dous planos de terra é igual ou se as constantes dieléctricas dos illantes por riba e por debaixo do condutor son iguais (o mesmo ocorre coas liñas de microtiras).
A liña de banda ten dous planos de terra, polo que a liña de 50Ω (ou calquera impedancia dada) da liña de banda é máis delgada que o condutor da mesma impedancia da liña de microcinta. Aínda que os fíos máis finos soportan maior densidade de circuíto, os fíos máis finos tamén requiren tolerancias de fabricación máis estreitas e a constante dieléctrica de todo o substrato do circuíto debe ser moi consistente. A perda dieléctrica da liña de transmisión de extremo único (desequilibrada) da liña de microtiras (definida polo factor de disipación do substrato) é menor que a da liña de tira. Isto débese a que algunhas liñas de campo da liña microstrip están no aire e pódese ignorar o factor de disipación.
Por suposto, o rendemento destas dúas liñas de transmisión é case o mesmo que o rendemento do portador usado na súa fabricación, o substrato illante. Así como os materiais PCB utilizados, como o FR-4, poden reducir custos, pero ao mesmo tempo limitar o seu rendemento. De acordo con diferentes liñas de microtiras e aplicacións de liñas de tiras, escoller o material máis adecuado desempeñará mellor o papel destas dúas liñas de transmisión. vantaxe.
Como ocorre con moitas decisións de enxeñaría, ponderarase a elección de microstrip ou stripline. Por exemplo, os circuítos stripline teñen unha densidade de circuíto elevada. Polo tanto, nas mesmas condicións de frecuencia, requiren máis capas de material, máis tempo e gastos de procesamento e máis atención ao procesamento de detalles que os circuítos de microstrip.
En comparación coas liñas de banda común e liñas de banda, hai outro tipo de liña de transmisión de radiofrecuencia que é a guía de onda coplanar posta a terra, que proporciona un mellor illamento entre as liñas de frecuencia de radio adxacentes e outras liñas de sinal. Este medio inclúe o condutor central e a zona de posta a terra por ambos os dous lados e abaixo como se mostra a continuación:
Recoméndase a instalación a través de "valos" a ambos os dous lados da guía de ondas coplanares a terra, como se mostra na seguinte figura. Esta vista superior ofrece un exemplo de instalación dunha fila de vías de terra na zona de terra superior de metal a cada lado do condutor intermedio. A corrente de bucle causada na capa superior é curta ao plano de abaixo.
En comparación coa liña de microstrip, a guía de onda coplanar con terra non só ten un plano de terra na superficie inferior do medio, senón que tamén ten planos de terra a ambos os dous lados da liña de transmisión de sinal na parte superior do medio, polo que ten un chan máis grande área. A guía de onda coplanar consegue a estabilidade do rendemento eléctrico empregando o plano terrestre para rodear a liña de sinal.
Os modos de transmisión da liña de microstrip e do circuíto de guía de onda coplanar con terra son ambos modos electromagnéticos cuasi-transversais (cuasi-TEM). Debido á estrutura de posta a terra mellorada do circuíto de guía de onda coplanar a terra, o seu mecanizado é máis complicado ata certo punto. En comparación coa liña de microstrip, o circuíto de guía de onda coplanar a terra ten as características de baixa dispersión. Cando a frecuencia ascende á banda de onda milimétrica, o circuíto de guía de onda coplanar a terra ten unha perda de radiación menor que o circuíto de liña de microstrip.
Debido á estrutura de posta a terra mellorada, o circuíto de guía de onda coplanar a terra ten un ancho de banda efectivo máis amplo e un rango de impedancia maior que o circuíto de microstrip. Non obstante, a estrutura do circuíto de microstrip é relativamente robusta e a súa sinxela estrutura do circuíto de terra inferior é fácil de procesar. Ademais, o rendemento do circuíto de microstrip non é sensible aos factores de procesamento do circuíto e o seu rendemento do circuíto está menos afectado pola diferenza de gravado de condutor / oco e a diferenza de espesor do condutor.
As curvas afiadas no deseño do circuíto RF están deseñadas especialmente para a compensación da curva da liña de transmisión.
Cando a liña de transmisión é obrigada a dobrarse (cambiar a dirección) debido ás restricións de cableado, o raio de flexión empregado debería ser polo menos 3 veces o ancho do condutor intermedio. Noutras palabras:
Raio de flexión ≥ 3 × (ancho de liña).
Isto minimiza o cambio de impedancia característico da esquina.
Se é imposible lograr unha flexión gradual, a liña de transmisión pódese dobrar en ángulos rectos (non curvados), como se mostra na seguinte figura. Non obstante, isto debe compensarse para reducir o cambio repentino de impedancia causado polo aumento do ancho da liña efectiva local ao pasar polo punto de flexión.
Noso outro produto:
