射頻PCB設計和要考慮的因素

2022-06-29

射頻PCB設計和要考慮的因素

RF PCB設計可能與傳統電路板完全不同。它通過(guò)阻抗匹配、類(lèi)型走線(xiàn)（最好是共面的）、消除過(guò)孔（以避免反射）、接地層和過(guò)孔以及電源去耦等參數來(lái)區分。這些板還具有重要的方面，例如疊層和材料選擇。

由于 EMI 干擾和高頻信號通道等因素，這些因素使射頻設計更加復雜。韜放電子PCB設計服務(wù)團隊是RF PCB設計專(zhuān)家。我們將在本文中詳細討論所有這些問(wèn)題。讓我們從阻抗匹配開(kāi)始。

阻抗匹配

當阻抗在整個(gè)跡線(xiàn)上保持恒定時(shí)，受控阻抗無(wú)線(xiàn)電電路允許從源到負載的最大功率傳輸而不會(huì )失真。這稱(chēng)為跡線(xiàn)的特性阻抗 (Z  )。走線(xiàn)的幾何形狀決定了特性阻抗。這包括走線(xiàn)寬度、PCB材料的介電常數和走線(xiàn)厚度。此外，從參考平面的高度。PCB設計人員可以通過(guò)設計匹配電路來(lái)匹配這些阻抗。

射頻板材料

某些材料用于制造滿(mǎn)足高頻操作要求的射頻PCB。這些材料必須具有低信號損耗并在高頻操作中保持穩定。它們還需要能夠吸收大量熱量。介電常數 (DK)、損耗角正切(tan-d)和熱膨脹系數(CTE) 需要在寬頻率范圍內保持一致。這些板具有3和 HTML3.5 作為介電常數的典型值。對于10-30GHz頻率范圍，損耗角正切值范圍為 0.0022 - 0.0095。

這些只是一些要求。此外，還要考慮制造的成本和難易程度。

通常使用由聚四氟乙烯(PTFE)、陶瓷和碳氫化合物制成的材料，或與某種玻璃混合。Rogers材料是射頻電路板設計的熱門(mén)選擇。羅杰斯的材料種類(lèi)繁多。下面是幾個(gè)例子：

逆轉錄/杜羅

RO3000

RO4000

羅杰斯TMM

射頻PCB疊層

射頻板堆疊需要仔細注意組件和走線(xiàn)之間的隔離、電源去耦、層數、排列和放置等細節。下圖顯示了標準的4層射頻疊層。

頂層是放置射頻元件和走線(xiàn)的地方。頂層緊隨其后的是接地層和電源層。 底層包含所有非射頻部分和跟蹤信息。 這種安排最大限度地減少了射頻和非射頻組件之間的干擾。接地層是接地返回電流的最短路徑。這種疊層非常適合小型射頻板。

射頻走線(xiàn)設計

高頻信號傳播射頻跡線(xiàn)，因此容易受到干擾和傳輸損耗。走線(xiàn)是射頻板中的傳輸線(xiàn)。共面波導、微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)是最常用的傳輸線(xiàn)。設計人員關(guān)心這些線(xiàn)路的特性阻抗。以下是一些確保正確操作和最小損耗的射頻走線(xiàn)設計注意事項。

保持走線(xiàn)盡可能短是至關(guān)重要的。這減少了衰減。

切勿在布局中平行放置RF和標準走線(xiàn)。如果兩者以這種方式放置，則會(huì )產(chǎn)生干擾。

需要接地層來(lái)提供信號返回路徑。

不建議在跡線(xiàn)上放置測試點(diǎn)。它會(huì )破壞走線(xiàn)的阻抗匹配值。

對于跟蹤性能，逐漸彎曲比保持急轉彎更好。

當無(wú)法進(jìn)行右彎時(shí)，PCB設計人員可以使用計量過(guò)程來(lái)減少其影響。下圖說(shuō)明了如何測量跡線(xiàn)。

以下公式給出 M：

設計地平面

任何射頻跡線(xiàn)或組件都需要返回路徑，或者允許電流通過(guò)它傳播。這是由地平面完成的。接地層需要額外的設計考慮。讓我們來(lái)看看它們。

每個(gè)射頻層都應該有一個(gè)專(zhuān)用的接地層。為了使電流路徑盡可能短，PCB設計人員應將接地層直接放置在每一層的下方。

地平面必須是連續的。不允許休息。這些中斷可能會(huì )為電流返回的更短路線(xiàn)開(kāi)辟道路。

必須為放置在射頻傳輸電纜中的每個(gè)分流組件安裝兩個(gè)接地過(guò)孔。

通過(guò)設計

避免射頻走線(xiàn)中的過(guò)孔應該是重中之重。但是，如果PCB設計人員無(wú)法避免這些，則必須遵循特定的過(guò)孔尺寸和長(cháng)度。寄生電容是由電路板中的過(guò)孔引起的。在射頻板的情況下，該電容會(huì )影響高頻操作。為了減少這些頻率上的干擾，必須在設計過(guò)孔時(shí)牢記以下準則：

通過(guò)引入更多的平行過(guò)孔來(lái)降低寄生電容

必須將專(zhuān)用過(guò)孔連接到組件的每個(gè)引腳或焊盤(pán)。

盡可能使用地平面縫合。這為電流創(chuàng )建了更短的接地回路。

通孔減少了射頻走線(xiàn)從一層到下一層的布線(xiàn)。

該設計允許您在內層和頂層接地層之間使用盡可能多的過(guò)孔。 這些過(guò)孔必須至少是信號波長(cháng)的 1/20。

電源去耦

射頻板需要降噪才能有效。這些電路板容易受到高頻噪聲的影響。因此，去除噪聲是一項復雜的任務(wù)。其中一種方法是電源去耦。

選擇去耦電容

該濾波器可消除電源引入電路的任何噪聲。這些電容器稱(chēng)為去耦電容器。這些電容器連接到電源。

阻抗匹配應該是每個(gè)射頻電路板不可或缺的一部分。連接去耦電容后，電路的阻抗應保持恒定。為避免阻抗變化，請遵循以下設計注意事項：

對于去耦，始終連接具有最小阻抗的電容器

要獲得最小阻抗，請在自諧振頻率(SRF)下運行電容器。電容器的SRF值將與其電容成反比。

尋找SRF接近噪聲頻率的電容器。

放置去耦電容

正確放置去耦電容至關(guān)重要。下面的電路顯示了與IC并聯(lián)放置的兩個(gè)去耦電容器。

較高的電容器用于過(guò)濾低頻噪聲和存儲能量。較低的電容器濾除高頻噪聲。這些是其他放置指南：

元件和去耦電容應放置在同一表面上。

將電容器與信號流路徑平行放置。

每個(gè)電容器都應該有自己的接地通孔。

根據電容升序排列電容器。電容最小的電容離電源最近。

制造商和設計人員都需要更加關(guān)注射頻板的設計和制造過(guò)程。DFM團隊應遵循設計清單。這些板容易受到干擾和高頻噪聲的影響，因此即使是最輕微的錯誤也會(huì )對操作產(chǎn)生重大影響。這些方面和其他方法將幫助我們改進(jìn)我們的設計。