Рекомендации по проектированию ВЧ и СВЧ

ВЧ- и СВЧ-схемы в настоящее время являются одними из наиболее распространенных конструкций печатных плат в электронной промышленности, признанными за их способность улавливать более высокие частоты, чем обычные схемы. Ранее слишком дорогие, чтобы их можно было использовать за пределами военной и аэрокосмической промышленности, радиочастотные и микроволновые схемы теперь являются неотъемлемыми частями широкого спектра коммерческих и профессиональных продуктов, в частности устройств беспроводной связи, таких как сотовые телефоны, спутниковые вещатели и беспроводные сети. Однако с более высокими частотами возникает больше проблем с дизайном.

Чтобы эти высокочастотные радиочастотные и микроволновые схемы были успешными, поставщики должны рассмотреть несколько методов проектирования радиочастотных и микроволновых печатных плат.

Основы радиочастотных и микроволновых печатных плат

Самый простой способ описать ВЧ- и СВЧ-печатные платы состоит в том, что они содержат компоненты, передающие ВЧ- или СВЧ-сигналы. Эти сигналы различаются по частоте, и различия в частоте определяют различия в компонентах между радиочастотными и микроволновыми печатными платами и другими типами печатных плат. Тем не менее, понимание основ радиочастот и микроволновых частот — это первый шаг к пониманию конструкции ВЧ- и микроволновых печатных плат.

По сути, электронный сигнал — это величина, которая меняется во времени и передает какую-то информацию. Величиной, которая изменяется, обычно является напряжение или ток. Эти сигналы передаются между устройствами как способ отправки и получения информации, такой как аудио, видео или закодированные данные. Хотя эти сигналы часто передаются по проводам, они также могут передаваться по воздуху радиочастотными или РЧ-волнами.

Эти радиочастотные волны варьируются от 3 кГц до 300 ГГц, но для удобства они подразделяются на более мелкие категории. Эти категории включают следующее:

• Низкочастотные сигналы: Это сигналы, которые обрабатываются большинством традиционных аналоговых компонентов, включая сигналы с частотой до 50 МГц.

• РЧ-сигналы: Хотя радиочастотные или радиочастотные сигналы технически охватывают широкий диапазон частот сигнала, разработчики схем используют этот термин в более узком смысле. В этой области частота радиочастотного сигнала обычно находится в диапазоне от 50 МГц до 1 ГГц. Это те же частоты сигналов, которые используются при передаче AM/FM.

• Микроволновые сигналы: Микроволновые сигналы имеют частоты выше 1 ГГц. Верхний предел этих сигналов составляет около 30 ГГц. Это те самые микроволны, которые используются для приготовления пищи в микроволновых печах. Они также используются для передачи сигналов с очень высокой пропускной способностью.

<сильный>

Описанные выше сигналы относятся к категории аналоговых сигналов, хотя РЧ и микроволновые сигналы значительно выше, чем большинство стандартных аналоговых сигналов, используемых в традиционных конструкциях печатных плат. Аналоговые сигналы по своей сути отличаются от цифровых сигналов, и каждая категория требует различных компонентов для обработки своих сигналов. Эти сигналы более подробно описаны ниже:

• Аналоговые сигналы: Аналоговый сигнал постоянно меняется во времени, и когда вы смотрите на этот сигнал на графике, он проявляется в виде плавной волны. На этой волне существует бесконечное количество возможных значений в пределах ограниченного диапазона максимальных и минимальных значений. Большинство электронных компонентов (резисторы, конденсаторы, транзисторы и т. д.) работают с аналоговыми сигналами, хотя спроектировать чисто аналоговые схемы намного сложнее, чем цифровые печатные платы. Это в основном из-за их восприимчивости к шуму и другим проблемам. Стандартные аналоговые сигналы обычно находятся в диапазоне от постоянного тока до 100 МГц или около того, но они сильно различаются по частоте. Радиочастотные сигналы по своей сути являются аналоговыми сигналами.

• Цифровые сигналы: В отличие от аналоговых сигналов цифровые сигналы оперируют конечным набором значений. Число значений в этом множестве может быть очень большим, но оно не бесконечно. Обычно эти цифровые сигналы работают с двумя значениями, но сигнал может быть только одним из этих двух значений в любой момент времени. При рассмотрении этого типа сигнала во времени волны, создаваемые изменением сигналов, являются прямоугольными, а не непрерывными. Цифровые сигналы могут пытаться воспроизвести гладкие волны аналоговых сигналов, но эти цифровые волны всегда будут состоять из дискретных шагов, а не гладких кривых. Однако эти дискретные сигналы означают, что цифровые схемы легче проектировать, чем аналоговые, хотя обычно они дороже.

Обычно оба сигнала работают в одной цепи с компонентами, предназначенными для преобразования сигнала из одной формы в другую. Однако эти типы схем должны быть тщательно спроектированы, особенно когда аналоговые компоненты обрабатывают высокочастотные сигналы, такие как РЧ-сигналы. Чем выше частота, тем больше вероятность возникновения проблем, таких как шум.

Общие проблемы и решения при проектировании ВЧ- и СВЧ-печатных плат

Макеты печатных плат с радиочастотными или микроволновыми цепями, как правило, намного сложнее разработать, чем типичные аналоговые или цифровые печатные платы. Это связано с некоторыми из наиболее проблемных особенностей и качеств, связанных с РЧ-сигналами. При проектировании ВЧ или СВЧ печатной платы помните о следующих моментах и ​​проблемах.

<сильный>

Основы проектирования печатных плат

<сильный> Прежде всего, ВЧ- и СВЧ-печатные платы должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести к минимуму любые возможные ошибки в процессе сборки. Вот некоторые из самых основных рекомендаций по проектированию радиочастотной компоновки:

• Разделение частей: Если на плате есть несколько типов компонентов, таких как низкоуровневые аналоговые, радиочастотные и цифровые компоненты, их следует хранить отдельно. Это не только упрощает работу дизайнера, но и сводит к минимуму возможность катастрофических проблем на этапе сборки.
• Многослойные печатные платы: В идеале ВЧ и СВЧ печатные платы должны включать более одного слоя. Верхний слой должен включать силовой каскад, а также линии и компоненты РЧ-сигнала. Убедитесь, что если у вас многослойная печатная плата, под любым слоем, который включает в себя радиочастотные или микроволновые сигнальные линии, есть слой заземления.
• Чувствительность к шуму: Разработчики ВЧ и СВЧ печатных плат должны понимать, насколько эти высокочастотные сигналы чувствительны к шуму. В то время как большинство разработчиков привыкли работать с такой чувствительностью в высокоскоростных цифровых сигналах, им приходится быть значительно более осторожными с радиочастотными и микроволновыми сигналами, поскольку они еще более чувствительны. Эти сигналы также чувствительны к более широкому спектру типов шума. Эта чрезвычайная чувствительность означает, что любые возможные шумы, отражения или звонки должны быть уменьшены.

Шум — это термин, используемый для описания нежелательных изменений напряжения, которые вызывают ошибки и функциональные проблемы в цепи. Шум бывает разных форм и по распределению частоты попадает в следующие категории:

• Белый шум: Этот тип шума одинаково влияет на все частоты.
• Розовый шум: Розовый шум не дает ровной характеристики, а колеблется с повышением частоты.
• Ограниченный диапазон шума: Полоса частот этого шума ограничена либо фильтрами, либо схемой, через которую он проходит.

Радиочастотный шум может исходить из ряда источников, которые также классифицируются по типу. Они описаны ниже вместе с решениями для каждого типа шума:

• Тепловой шум: Этот вид шума, также называемый шумом Джонсона или Джонсона-Найквиста, является результатом теплового возбуждения. Это тепловое разрушение воздействует на носители заряда в проводнике, возбуждая их больше, чем предполагалось, и, следовательно, создавая шум. Такие проблемы обычно можно решить, сводя к минимуму влияние температуры на контур, часто регулируя температуру с помощью систем охлаждения вокруг контура или элементов рассеивания тепла на самом контуре.
• Дробовой шум: Этот шум возникает из-за колебаний электрического тока во времени, вызванных дискретным характером зарядов электронов. Поскольку этот шум вызван протеканием тока, от него трудно избавиться, хотя металлические резисторы, как правило, минимизируют его возникновение. К счастью, дробовой шум проявляется только в таких устройствах, как туннельные переходы и барьерные диоды.
• Фазовый шум: Этот тип РЧ-шума виден на радиочастотных сигналах и может существенно повлиять на работу системы. Этот шум проявляется в виде фазового дрожания или флуктуаций в самом сигнале, что проявляется в виде распространения боковых полос по обеим сторонам сигнала или несущей. Это может быть особенно проблематичным типом шума при передаче цифровой информации, поскольку фазовый шум может ухудшить частоту ошибок по битам и, следовательно, качество передаваемых данных. Более чистые сигналы — лучший способ уменьшить этот шум, который необходимо учитывать на ранних этапах процесса проектирования.
• Шум мерцания: Этот шум, также называемый 1/f-шумом, встречается почти во всех электронных устройствах и обычно вызывается протеканием постоянного тока. Он обратно пропорционален частоте сигнала, но проявляется аналогично фазовому шуму. Обработка сигнала специальным фильтром обычно помогает уменьшить этот шум.
• Шум лавины: Этот шум вызван переходным диодом, работающим слишком близко к точке лавинного пробоя. В результате на диоде возникает много шума. Удалить этот лавинный шум так же просто, как использовать фильтр на основе конденсатора или сглаживающую цепь.

Большой шум можно уменьшить с помощью соответствующих полосовых фильтров, которые передают сигналы в «интересующей полосе частот». Через этот фильтр могут проходить только сигналы в определенном частотном диапазоне, а остальные фильтр блокирует. Однако это не решает проблему неточных сигналов в пределах частотного диапазона. В идеале источник шума должен быть удален одним из вышеперечисленных способов.

Соответствие импеданса

Согласование импеданса — еще одно важное требование к ВЧ печатным платам. В то время как высокоскоростные цифровые сигналы несколько толерантны, когда речь идет о согласовании импеданса, чем выше частота, тем меньше допуск. Для радиочастотных и микроволновых сигналов этот допуск особенно строг.

Есть несколько вещей, о которых следует помнить, когда вы рассматриваете согласование импеданса в своем проекте. К ним относятся следующие:

• Потеря скин-эффекта: На более высоких частотах электроны начнут течь по внешней поверхности проводника. Это называется «скин-эффект». На трассе небольшая площадь используется для направления электронов. Однако эта воронка также улавливает часть электронов, протекающих по внешней стороне проводника, преобразуя энергию их сигнала в тепло. Это то, что называется «потеря скин-эффекта». Эти потери лучше всего свести к минимуму с помощью надлежащего согласования импедансов и даже покрытия печатных плат золотым покрытием.

• Длины строк должны быть небольшими: Чем длиннее линии, передающие радиочастотные/микроволновые сигналы, тем больше вероятность потери сигнала. В идеале линия должна составлять 1/20 длины волны. Если она должна быть длиннее 1/16 длины волны, что также называется критической длиной сигнала, вам потребуется применить контроль импеданса к этой трассе с компонентами L и C до конца линии.

Возвратный убыток

<сильный> Обратные потери часто вызваны отражением сигнала. К сожалению, поскольку радиочастотные и микроволновые сигналы более чувствительны к шуму сигнала, обратные потери представляют собой более серьезную проблему. В то время как обратные сигналы обычно идут по пути наименьшего сопротивления, высокочастотные сигналы имеют тенденцию идти по пути наименьшей индуктивности. Такие пути, как правило, включают слои земли под исходным сигналом.

Чтобы свести к минимуму обратные потери, слои заземления должны быть непрерывными от драйвера к приемнику, иначе обратный сигнал может проходить через другие слои питания. Поскольку эти альтернативные пути менее идеальны, они могут вызывать значительный шум сигнала из-за отражения и звона или даже теряться в виде тепла.

Перекрёстные помехи

Перекрёстные помехи — это непреднамеренная передача энергии между проводниками, в результате которой возникает связанный сигнал. Такая передача обычно является результатом взаимной индуктивности и шунтирующей емкости, а возникновение перекрестных помех имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения плотности и производительности печатной платы. Близость проводников, расстояние, на котором они проходят параллельно, и скорость фронта активной линии также играют значительную роль. Перекрестные помехи, как правило, являются серьезной проблемой для высокочастотных конструкций, таких как радиочастотные и микроволновые конструкции, поэтому разработчики должны делать все возможное, чтобы предотвратить перекрестные помехи.

Перекрестные помехи должны быть сведены к минимуму. К счастью, есть несколько способов сделать это. Эти методы включают:

• Разделение сигналов: Расстояние от центра до центра в идеале должно примерно в четыре раза превышать ширину трассы сигналов.

• Свернуть параллельные линии. Если линии обязательно должны проходить параллельно друг другу, сведите расстояние, на котором линии проходят параллельно друг другу, к минимуму.

• Уменьшите диэлектрическое расстояние: Диэлектрическое расстояние между линией и ее опорной плоскостью должно быть минимальным.

• Представьте копланарную структуру: Вставьте заземляющую пластину между дорожками.

• Завершить линию: Завершение линии на ее характеристическом импедансе может уменьшить перекрестные помехи на целых 50 %.

<сильный>

Свойства ламината

<сильный> Свойства ламината печатной платы могут существенно повлиять на функциональность ВЧ- или СВЧ-печатной платы. FR4, например, имеет более высокий коэффициент рассеяния, чем высокочастотные ламинаты, а это означает, что ламинаты FR4 могут привести к более высоким вносимым потерям при увеличении частоты сигнала. Кроме того, диэлектрическая постоянная или значение Dk FR4, как правило, выше и изменчивее, чем у высокочастотных ламинатов. Значения FR4 Dk могут отличаться на 10 %, что, в свою очередь, меняет импеданс.

Диэлектрические потери являются распространенной проблемой, связанной со свойствами ламината. Подобно потерям скин-эффекта, диэлектрические потери возникают, когда электроны проходят через проводник и отражаются от электронов подложки печатной платы FR4. При взаимодействии этих электронов часть энергии сигнала от протекающих электронов передается электронам FR4, которые, в свою очередь, преобразуют энергию в тепло. Такого рода потерь можно избежать, используя подложки с очень низким коэффициентом рассеяния, такие как политетрафторэтилен-тефлон, коэффициент рассеяния которого составляет около 0,001, в отличие от коэффициента рассеяния FR4, равного 0,02.

Получите больше от своих проектов печатных плат с Millennium Circuits Limited

Если вы хотите узнать больше о проектировании печатных плат или найти поставщика печатных плат с самым высоким рейтингом, компания Millennium Circuits Limited (MCL) — лучший выбор в отрасли.

С 2005 года MCL посвятила себя производству качественных печатных плат, и сейчас, более десяти лет спустя, мы по-прежнему посвящаем себя этой цели. Сегодня MCL является новейшей частной компанией по производству печатных плат в больших объемах, сертифицированной по стандарту ISO-9001, базирующейся в Гаррисберге, штат Пенсильвания. Наша цель сейчас так же проста, как и в начале нашей работы — каждый раз производить лучшую печатную плату. Нужна ли вам небольшая партия прототипов или крупный заказ на печатные платы, мы можем сделать это быстро и с максимально возможным качеством продукции. У нас есть производственные мощности по всему миру, что позволяет нам создавать печатные платы в соответствии с вашим бюджетом и сроками.

Когда вы сотрудничаете с MCL, вы работаете с компанией, которая стремится предоставить вам наилучшие услуги, строя наши отношения с вами, чтобы вы могли чувствовать себя комфортно, работая с нами. На сегодняшний день MCL достигла 98% рейтинга удовлетворенности своих клиентов, при этом 99% наших поставок доставляются вовремя. Вот почему более 400 компаний по всему миру предпочитают работать с MCL, а не с любой другой компанией-поставщиком печатных плат.

Чтобы узнать больше о том, что MCL может сделать для вас и вашей следующей печатной платы, свяжитесь с нами сегодня.