Неудачи и решения при проектировании радиочастотных печатных плат

Много неопределенностей имеется в конструкции ВЧ (радиочастотной) печатной платы (печатной платы), которая поэтому описывается как «черная магия». Вообще говоря, когда речь идет о схемах на частотах ниже микроволн (включая низкочастотные и низкочастотные цифровые схемы), тщательная компоновка является гарантией успеха при проектировании схемы с освоением всех принципов проектирования с первого раза. Однако, когда дело доходит до частоты выше микроволновых и высокочастотных цифровых схем уровня ПК, две-три версии печатных плат способны обеспечить качество схемы. Что касается радиочастотных цепей на частоте выше микроволн, то для постоянного совершенствования требуется больше вариантов конструкции печатных плат. Таким образом, при проектировании радиочастотных цепей наверняка придется столкнуться со многими трудностями.

Наиболее часто встречающиеся проблемы при проектировании радиочастотных цепей

• Помехи между модулем цифровой схемы и модулем аналоговой схемы

Когда аналоговая схема (РЧ-схема) и цифровая схема работают независимо друг от друга, вполне возможно, что они могут работать идеально. Но как только они смешаны вместе на одной печатной плате с одним и тем же источником питания, вся система может стать нестабильной, потому что цифровые сигналы часто колеблются между землей и положительным источником питания (> 3 В), а период будет очень коротким. масштаб наносекунды. Из-за большей амплитуды и меньшего времени переключения все цифровые сигналы будут содержать высокочастотные элементы, не зависящие от частоты переключения. В аналоговых секциях напряжение от контура настройки радио до приемника радиоаппаратуры обычно не превышает 1 мкВ. Таким образом, разница между петлей настройки радио и радиочастотными сигналами может достигать 120 дБ. Очевидно, что если цифровые сигналы и РЧ-сигналы не удается четко разделить, слабые РЧ-сигналы могут быть повреждены. В результате ухудшится работоспособность радиоаппаратуры или она вообще не сможет работать.

• Шумовые помехи источника питания

ВЧ-схема весьма чувствительна к шуму, что особенно актуально для бросков напряжения и других высокочастотных гармонических волн. Микроконтроллер внезапно поглощает большую часть тока в течение каждого внутреннего тактового периода, потому что все современные микроконтроллеры производятся с применением технологии CMOS. Поэтому предположим, что микроконтроллер работает на внутренней тактовой частоте 1 МГц, и тогда он будет получать ток от источника питания на такой частоте. Если не применить подходящую развязку по мощности, в линиях электропередач возникнут скачки напряжения. Когда скачки напряжения поступают на контакты питания ВЧ-цепи, возможен сбой, если он серьезный.

• Необоснованное заземление

Если необоснованно установить GND для радиочастотной цепи, могут быть получены некоторые странные результаты. Когда дело доходит до проектирования цифровых схем, даже если GND недоступен, большинство функций цифровых схем можно реализовать превосходно. Однако, что касается радиочастот, даже короткая линия заземления будет играть эквивалентную роль катушки индуктивности. Известно, что индуктивность в 1 нГн совместима с длиной 1 мм, исходя из чего можно примерно вычислить, что индуктивное сопротивление печатной платы длиной 10 мм должно быть примерно 27 Ом. Если GND не применяется, большинство линий заземления будут настолько длинными, что схема не будет иметь характеристик, основанных на конструкции.

• Излучаемые антенной помехи другим аналоговым цепям

В макете печатной платы на плате также доступны другие аналоговые схемы. Например, многие схемы содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Высокочастотные сигналы, передаваемые РЧ-передатчиком, возможно, поступают на аналоговый вход АЦП, потому что любая линия цепи будет передавать или принимать РЧ-сигналы, как это делает антенна. Если входной разъем АЦП обрабатывается неправильно, РЧ-сигналы могут самовозбуждаться в диоде ESD входа АЦП, что затем вызывает отклонение АЦП.

Принципы и схема проектирования радиочастотных цепей

• Определение схемы RF

При разработке РЧ-схемы в первую очередь необходимо соблюдать следующие общие принципы:
① Усилители высокой мощности (HPA) и усилители с низким уровнем шума (LNA) должны быть максимально разделены. Вкратце, высокочастотные радиочастотные цепи передачи размещаются далеко от низкочастотных радиочастотных приемных цепей.
② По крайней мере, полное заземление должно быть доступно в высокочастотной области на печатной плате, и лучше, чтобы сквозные отверстия не занимали место на том. Чем больше площадь медной фольги, тем лучше.
③ Одинаково важно, чтобы цепи и питание проходили через развязку.
④ ВЧ-выход должен находиться далеко от ВЧ-входа.
⑤ Чувствительные аналоговые сигналы должны быть как можно дальше от высокоскоростных цифровых сигналов и РЧ-сигналов.

• Принципы проектирования физических и электрических разделов

Разделение можно разделить на физическое разделение и электрическое разделение. Первый в основном связан с компоновкой компонентов, ориентацией и экранированием, а последний может быть дополнительно классифицирован на распределение мощности, радиочастотную маршрутизацию, чувствительную цепь, сигналы и разделение земли.

а. Принцип физического разделения

Принцип компоновки компонентов. Компоновка компонентов играет важную роль в качественном проектировании ВЧ-системы. Наиболее эффективная технология заключается в том, чтобы сначала зафиксировать компоненты, расположенные вдоль РЧ-тракта, и изменить их ориентацию таким образом, чтобы РЧ-тракт можно было свести к минимуму, а входные данные располагались далеко от выходных, а мощные и маломощные цепи были максимально разнесены.

Принцип ламинирования печатных плат. Наиболее эффективный метод ламинирования цепей состоит в том, чтобы расположить основную заземляющую пластину на втором слое ниже первой плоскости, а ВЧ-дорожки расположить на первой плоскости. Размер сквозных отверстий на радиочастотном тракте должен быть сведен к минимуму, что может уменьшить индуктивность тракта и уменьшить количество соединений холодной пайки на основном заземлении. Кроме того, в другие области ламинирования будет проникать меньше радиочастотной энергии.

ВЧ-компоненты и принцип ВЧ-трассировки. В физическом пространстве линейные схемы, такие как многокаскадные усилители, способны разделять все области РЧ, но дуплексер, смеситель и усилитель/смеситель средней частоты часто приводят к взаимным помехам между несколькими РЧ/ПЧ сигналами. Поэтому этот тип влияния должен быть тщательно сведен к минимуму. Следы ВЧ/ПЧ должны пересекаться, а между ними должно оставаться заземление. Правильный ВЧ-тракт очень важен для производительности печатной платы, поэтому большую часть времени при проектировании печатной платы мобильного телефона занимает компоновка компонентов.

б. Принцип электрического разделения

Принцип передачи энергии. Постоянный ток в большинстве цепей сотовых телефонов обычно довольно низкий, поэтому нет необходимости тщательно учитывать ширину дорожки. Однако трасса с большим током, ширина которой может быть как можно шире, должна быть самостоятельно спроектирована для питания усилителей большой мощности так, чтобы свести к минимуму передаваемое напряжение. Чтобы избежать слишком больших потерь тока, следует применять несколько сквозных отверстий для передачи тока из одной плоскости в другую.

Силовая развязка мощных устройств. Если полная связь не может быть достигнута на выводах питания мощного усилителя, мощный шум будет излучаться на всю плату, вызывая множество проблем. Заземление мощного усилителя очень важно, и для его конструкции обычно требуется металлический экран.

Принцип разделения радиочастотного входа/выхода. В большинстве ситуаций одинаково важно гарантировать, что ВЧ-выход находится далеко от ВЧ-входа, что также работает для усилителя, бампера и фильтра. В худших ситуациях, если вход усилителя и бампера возвращается на их входные клеммы с приемлемой фазой и амплитудой, может возникнуть самовозбуждающаяся вибрация. В лучшем случае они смогут стабильно работать при любой температуре и напряжении. На самом деле, они могут стать нестабильными и добавить шумы и интермодуляционные сигналы к радиочастотным сигналам.

В целом, радиочастотная схема имеет скин-эффект и эффект связи из-за своей схемы с распределенными параметрами, что отличает ее от низкочастотной схемы и постоянного тока. В результате рассмотренным выше вопросам следует уделять особое внимание при проектировании печатной платы радиочастотной схемы, чтобы проектирование схемы было эффективным и точным.

Полезные ресурсы
• Рекомендации по проектированию ВЧ- и СВЧ-печатных плат
• Проектирование печатных плат для радиочастотных схем и электромагнитной совместимости
• Компания PCBCart предлагает услуги по изготовлению радиочастотных печатных плат