Преодоление проблем в проектировании RF печатных плат: проверенные решения для надежной работы

Наиболее распространенные проблемы в проектировании RF схем

Проектирование печатных плат для радиочастотных (RF) схем часто называют «черным искусством» из-за множества неопределенностей. Для цепей на частотах ниже микроволнового диапазона (включая низкочастотные и цифровые цепи низкой частоты) тщательная разводка обеспечивает успех с первого раза при условии знания всех принципов проектирования. Для частот выше микроволнового диапазона и высокочастотных цифровых схем уровня ПК может потребоваться 2–3 версии платы. Для RF схем на микроволновых частотах и выше требуется еще больше итераций для постоянного улучшения. Поэтому при проектировании RF схем неизбежно возникают серьезные трудности.

Самые частые проблемы в проектировании RF схем

Помехи между цифровым и аналоговым модулями

Когда аналоговая (RF) схема и цифровая схема работают независимо, они обычно функционируют идеально. Но как только они размещаются на одной плате с общим питанием, система может стать нестабильной. Цифровые сигналы часто переключаются между землей и питанием (>3В) с периодом в наносекунды. Из-за большой амплитуды и короткого времени переключения все цифровые сигналы содержат высокочастотные составляющие, независимые от частоты переключения. В аналоговых разделах напряжение обычно составляет менее 1 мкВ от входной петли тюнера до приемника. Разница между сигналами тюнера и RF сигналами может достигать 120 дБ. Если цифровые и RF сигналы не отделены четко, слабые RF сигналы будут повреждены, что приведет к ухудшению работы или полному отказу радиооборудования.

Помехи питания

RF схемы крайне чувствительны к шумам, особенно к импульсным перепадям напряжения и высокочастотным гармоникам. Современные микроконтроллеры, изготовленные по технологии CMOS, резко потребляют большую часть тока в каждом внутреннем тактовом цикле. При частоте 1 МГц ток потребляется с этой же частотой. Без адекватной развязки питания на линиях питания возникают импульсные скачки напряжения. Когда они достигают выводов питания RF схемы, это может вызвать ее отказ.

Неправильная организация земли (GND)

Неправильно спроектированная земля в RF схеме приводит к странным результатам. В цифровых схемах даже без качественной земли большинство функций выполняются отлично. В RF даже короткий заземляющий провод работает как индуктивность. Известно, что индуктивность 1 нГн соответствует длине 1 мм. Индуктивное сопротивление 10-миллиметровой дорожки составляет около 27 Ом. Без сплошной земли большинство заземляющих проводников будут слишком длинными, и схема не будет соответствовать расчетным характеристикам.

Искажение от антенны на другие аналоговые схемы

На плате могут находиться другие аналоговые схемы, например АЦП или ЦАП. Высокочастотные сигналы от RF передатчика могут попасть на аналоговый вход АЦП, так как любая дорожка работает как антенна. Если вход АЦП обработан неправильно, RF сигналы могут вызвать самовозбуждение в диодах ESD входа АЦП, что приведет к ошибкам преобразования.

Принципы и методики проектирования RF схем

Определение разводки RF

При проектировании разводки RF следует соблюдать общие принципы:

1. Высокомощные усилители (HPA) и низкошумные усилители (LNA) должны быть разделены максимально далеко. Кратко: высокочастотные тракты передачи размещаются далеко от низкочастотных трактов приема.
2. На высокочастотной области платы должна быть хотя бы одна сплошная земля, желательно без переходных отверстий. Чем больше площадь медного полигона, тем лучше.
3. Развязка питания так же важна для цепей, как и для питания.
4. RF выход должен быть далеко от RF входа.
5. Чувствительные аналоговые сигналы должны быть максимально удалены от высокоскоростных цифровых и RF сигналов.

Принципы физического и электрического разделения

Разделение классифицируется на физическое и электрическое. Физическое касается размещения компонентов, их ориентации и экранирования. Электрическое включает распределение питания, трассировку RF, чувствительные цепи, сигналы и разделение земли.

Принципы физического разделения

Принцип размещения компонентов. Размещение компонентов играет ключевую роль в качественном RF дизайне. Самый эффективный метод — сначала зафиксировать компоненты на RF тракте и скорректировать их ориентацию, чтобы минимизировать длину RF тракта, разделить вход и выход, а также высокомощные и низкомощные цепи.

Принцип проектирования слоев платы. Самый эффективный метод: основная земля на втором слое под верхним, RF трассы на первом слое. Размеры переходных отверстий на RF тракте следует минимизировать — это уменьшает индуктивность тракта и количество холодных паяных соединений на основной земле. Кроме того, меньше RF энергии утечет в другие слои.

Принцип размещения RF компонентов и трассировки. В физическом пространстве линейные цепи (многоступенчатые усилители) способны разделять все RF зоны, но дуплексеры, миксеры и ПЧ усилители/миксеры часто вызывают взаимные помехи между несколькими RF/ПЧ сигналами. Это влияние нужно минимизировать. RF/ПЧ трассы должны пересекаться перпендикулярно с землей между ними. Правильный RF тракт критически важен для производительности платы, поэтому размещение компонентов занимает большую часть времени при проектировании плат мобильных телефонов.

Принципы электрического разделения

Принцип передачи питания. Постоянный ток в большинстве цепей мобильных телефонов довольно мал, поэтому ширину трасс не нужно выбирать тщательно. Однако для питания высокомощных усилителей трассу с большим током нужно делать максимально широкой и независимой, чтобы минимизировать потери напряжения. Для уменьшения поток тока при переходе между слоями используют несколько виа.

Развязка питания высокомощных устройств. Если развязка на выводах питания высокомощного усилителя неполная, высокомощные шумы излучаются по всей плате, вызывая множество проблем. Заземление высокомощного усилителя критически важно, обычно требуется металлический экран.

Принцип разделения RF входа/выхода. Для большинства ситуаций критически важно, чтобы RF выход был далеко от RF входа — это справедливо для усилителей, буферов и фильтров. В худшем случае, если сигнал с выхода усилителя/буфера возвращается на вход в подходящей фазе и амплитуде, возникает самовозбуждение. В лучшем случае они стабильно работают при любой температуре и напряжении. На практике они могут стать нестабильными, добавляя шум и интермодуляционные искажения к RF сигналам.

В целом, RF схемы обладают кожным эффектом и эффектом связи из-за своей распределенной параметрической природы, что отличает их от низкочастотных схем и цепей постоянного тока. Поэтому описанные проблемы требуют особого внимания при проектировании RF печатных плат для обеспечения эффективности и точности дизайна.

Полезные ресурсы:
• Руководства по проектированию RF и СВЧ печатных плат
• Проектирование печатных плат для радиочастотных схем и электромагнитной совместимости
• PCBCart предлагает услуги изготовления RF печатных плат