RF PCB設計指南：RF和微波PCB組裝

2022-09-07

RF PCB設計指南：RF和微波PCB組裝

RF PCB和微波pcb行業(yè)發(fā)展迅速，推動(dòng)更快、更便宜地生產(chǎn)PCB組裝的趨勢仍在繼續。這種激進(jìn)的步伐導致PCB設計規則與組件要求發(fā)生沖突。設計師和制造商之間的脫節導致盲目遵循這些規則，從而消除了提高性能的機會(huì )。

這些問(wèn)題需要設計者意識到潛在的問(wèn)題和陷阱，以避免它們。本指南討論了射頻和微波電路設計所特有的一些挑戰以及如何應對這些挑戰的一些建議，涵蓋了從基本設計技巧到大批量射頻組裝的實(shí)用建議的所有內容。

射頻PCB和微波PCB組裝的基本設計指南

以下是此過(guò)程中的一些陷阱，旨在防止它們發(fā)生。

元件放置

元器件應盡可能靠近射頻和微波PCB板的中心放置。這最大限度地減少了寄生電感，寄生電感會(huì )降低更高頻率的性能。組件也應盡可能靠近其配對連接器放置。這減少了走線(xiàn)之間的耦合并提高了信號完整性。例如，如果您正在設計高速數字接口板，則在板的相對兩側保持走線(xiàn)彼此之間的最小距離至關(guān)重要。這最大限度地減少了射頻和微波PCB板上不同層上的信號之間的串擾。

接地不良

接地是任何電路的一個(gè)關(guān)鍵方面。如果您的射頻和微波PCB設計中有任何接地不良，您最終可能會(huì )對其他電路造成干擾，甚至損壞您的電路。例如，如果您的射頻和微波PCB板的兩側都有跡線(xiàn)，那么一側可能比另一側有更好的連接（由于不同的環(huán)境條件）。這可能會(huì )導致問(wèn)題。為避免這種情況，請使用多個(gè)過(guò)孔和粗跡線(xiàn)確保所有跡線(xiàn)在其整個(gè)長(cháng)度上良好接地。

路由優(yōu)化

 通過(guò)消除不需要的區域中的過(guò)孔（互連點(diǎn)），可以?xún)?yōu)化布線(xiàn)路徑以降低噪聲。通孔通常用作有助于減少機載輻射的接地層。但是，如果通孔位于射頻和微波PCB板上的高阻抗點(diǎn)附近，例如電源線(xiàn)，它們也可以用作天線(xiàn)。在這種情況下，它們可能會(huì )將電磁能量輻射到自由空間或其他附近的導體，例如接地平面的跡線(xiàn)或電纜。

循環(huán)區

與線(xiàn)性走線(xiàn)相比，環(huán)路區域由于其高阻抗而導致信號劣化。因此，盡可能使用多個(gè)過(guò)孔而不是單個(gè)過(guò)孔來(lái)最小化環(huán)路面積，或者將它們放置在盡可能靠近元件焊盤(pán)的位置，以便它們與需要與射頻和微波中的過(guò)孔連接的元件焊盤(pán)之間的長(cháng)度最小印刷電路板。

傳導噪聲

傳導噪聲通過(guò)導電路徑傳播，例如跡線(xiàn)或接地層。傳導噪聲可能由射頻和微波PCB板上的開(kāi)關(guān)晶體管、微控制器或其他電子設備引起。當這些設備關(guān)閉時(shí)，它們會(huì )發(fā)出電流尖峰，從而產(chǎn)生從您的射頻和微波PCB板輻射的電磁場(chǎng)。這些尖峰稱(chēng)為瞬態(tài)電流尖峰，它們可以穿過(guò)射頻和微波PCB板上的接地層，如果它們到達電路板末端的天線(xiàn)，就會(huì )產(chǎn)生靜電放電(ESD)事件。

使用多層射頻PCB和微波PCB板

添加到射頻和微波PCB板上的層越多，可用于散熱和提供電流返回路徑的銅表面積就越大。這意味著(zhù)多層板非常適合射頻/微波系統等高頻應用，在這些應用中，必須有效散熱，同時(shí)為天線(xiàn)中的高頻電流保持低阻抗返回路徑。

回波信號損失

天線(xiàn)的回波信號損耗是射頻和微波PCB設計中的一個(gè)重要考慮因素。任何射頻和微波PCB板的回波損耗定義為給定頻率下前向波和反射波之間的功率比。在理想情況下，該值應在所有感興趣的頻率上大于-20 dB。但是，在實(shí)踐中，您應該將-10 dB視為大多數應用的最低要求。

回波損耗的主要貢獻者包括接地層中的阻抗失配和泄漏電流。天線(xiàn)與其相關(guān)組件之間的阻抗不匹配會(huì )導致反射，從而導致效率降低和性能下降。例如，確保天線(xiàn)和同軸電纜之間的阻抗匹配在+/- 2%以?xún)葘⒂兄诖_保良好的效率。

泄漏電流還可能通過(guò)將信號反射到其源電路或將它們輻射到自由空間中而造成相當大的損耗，從而對射頻和微波PCB板上的其他設備或系統造成干擾。

射頻PCB層壓板特性

PCB層壓板特性是射頻和微波PCB板性能的基礎?？捎玫膶訅喊孱?lèi)型具有不同的特性，包括介電常數（又名 k 因子）、損耗角正切和溫度系數。這些因素都會(huì )影響您的射頻和微波PCB板在其生命周期內的性能。這些特性會(huì )受到很多因素的影響，包括PCB材料的厚度、使用的基板類(lèi)型，甚至是射頻和微波PCB板本身的層數。

選擇PCB層壓板時(shí)最重要的因素是確保它與您的射頻和微波PCB設計要求兼容。例如，如果您需要高頻性能，您可能需要選擇高介電常數材料，例如Rogers Core或Rogers 3705 PTFE層壓板。但是，如果您不需要高頻性能，則較低k因子的材料（例如 FR4）可能足以滿(mǎn)足您的需求。

射頻和微波PCB的傳輸線(xiàn)和通孔

傳輸線(xiàn)用于將射頻信號從一個(gè)地方傳導到另一個(gè)地方。傳輸線(xiàn)具有不同的阻抗值，可以根據其電長(cháng)度進(jìn)行分類(lèi)。阻抗是由電感、電容和其他電氣特性引起的電流阻力。傳輸線(xiàn)通常由單個(gè)導體或一對導體（屏蔽或非屏蔽）組成。傳輸線(xiàn)的阻抗取決于其物理長(cháng)度和工作頻率。

傳輸線(xiàn)的主要目的是減少射頻和微波PCB上兩個(gè)設備之間轉換期間的信號反射。為此，您必須確保線(xiàn)路中沒(méi)有可能導致反射或駐波的不連續性。這需要在您的射頻和微波PCB板布局上放置組件并為您的應用選擇正確的傳輸線(xiàn)設計時(shí)進(jìn)行仔細的設計規劃。

傳輸線(xiàn)共有三種：同軸電纜、微帶線(xiàn)和槽線(xiàn)。

同軸電纜

同軸電纜用于高達40 GHz的高頻應用，因為它們可以在整個(gè)帶寬范圍內處理高電流而幾乎沒(méi)有損耗。同軸電纜通常由銅線(xiàn)制成，但也可以使用其他射頻和微波PCB材料，例如鍍銀銅，具體取決于應用的頻帶和功率要求。

微帶

微帶線(xiàn)是最常用的傳輸線(xiàn)。它由射頻PCB層壓板一側的接地層和另一側的高架信號走線(xiàn)組成。地平面應該比信號走線(xiàn)寬，所以它們之間沒(méi)有相互作用。對于毫米波頻率，介電層的厚度至少應為1/4英寸，對于UHF或更高頻率，電介質(zhì)層的厚度應至少為1/2英寸。在較低頻率下，您可以使用更薄的電介質(zhì)，例如FR-4或Rogers 4350，而不會(huì )因接地層和信號走線(xiàn)之間的邊緣場(chǎng)而增加損耗。

帶狀線(xiàn)

帶狀線(xiàn)類(lèi)似于微帶線(xiàn)，只是它在射頻PCB層壓板的一側或兩側沒(méi)有接地層。它的損耗比微帶線(xiàn)小，因為兩個(gè)導體之間沒(méi)有邊緣場(chǎng)。當高速信號必須長(cháng)距離傳輸時(shí)，通常使用帶狀線(xiàn)，而不會(huì )導致帶狀線(xiàn)彎曲處的阻抗不匹配或安裝在其末端的連接器產(chǎn)生反射。

電源平面間隙

電源平面間隙是兩個(gè)導電層之間的距離。設計這種間隙的目的是減少不同信號層之間或信號層與接地平面或參考平面之間的不希望有的耦合。它還限制了相鄰跡線(xiàn)之間的干擾并防止相鄰信號層之間的串擾。它還有助于避免在尖角處產(chǎn)生電弧或火花，這很危險并會(huì )影響電路的性能。

電源層的最小建議間隙為距任何其他信號層0.15 mm，包括同一層上的過(guò)孔。例如，如果有兩個(gè)信號層非常接近，那么您應該確保它們之間至少有0.15 mm的距離，以免由于附近的過(guò)孔或走線(xiàn)的電容耦合或電感耦合效應而造成它們之間的任何干擾問(wèn)題在這兩層上。

關(guān)鍵要點(diǎn)

本文的目的是對與射頻和微波PCB制造相關(guān)的射頻和微波PCB設計和組裝挑戰進(jìn)行一般性介紹。根據您是設計復雜的射頻和微波PCB板還是使用超小型組件，挑戰各不相同。盡管我們在這里介紹的內容遠非全面，但希望它為有興趣了解更多有關(guān)射頻和微波PCB的任何人提供了一個(gè)有用的起點(diǎn)。韜放電子了解更多信息，開(kāi)始您的下一個(gè)射頻和微波PCB項目。