射频PCB设计和要考虑的因素

2022-06-29

射频PCB设计和要考虑的因素

RF PCB设计可(kě)能(néng)与传统電(diàn)路板完全不同。它通过阻抗匹配、类型走線(xiàn)（最好是共面的）、消除过孔（以避免反射）、接地层和过孔以及電(diàn)源去耦等参数来區(qū)分(fēn)。这些板还具有(yǒu)重要的方面，例如叠层和材料选择。

由于 EMI 干扰和高频信号通道等因素，这些因素使射频设计更加复杂。韬放電(diàn)子PCB设计服務(wù)团队是RF PCB设计专家。我们将在本文(wén)中详细讨论所有(yǒu)这些问题。让我们从阻抗匹配开始。

阻抗匹配

当阻抗在整个迹線(xiàn)上保持恒定时，受控阻抗无線(xiàn)電(diàn)電(diàn)路允许从源到负载的最大功率传输而不会失真。这称為(wèi)迹線(xiàn)的特性阻抗 (Z  )。走線(xiàn)的几何形状决定了特性阻抗。这包括走線(xiàn)宽度、PCB材料的介電(diàn)常数和走線(xiàn)厚度。此外，从参考平面的高度。PCB设计人员可(kě)以通过设计匹配電(diàn)路来匹配这些阻抗。

射频板材料

某些材料用(yòng)于制造满足高频操作要求的射频PCB。这些材料必须具有(yǒu)低信号损耗并在高频操作中保持稳定。它们还需要能(néng)够吸收大量热量。介電(diàn)常数 (DK)、损耗角正切(tan-d)和热膨胀系数(CTE) 需要在宽频率范围内保持一致。这些板具有(yǒu)3和 HTML3.5 作為(wèi)介電(diàn)常数的典型值。对于10-30GHz频率范围，损耗角正切值范围為(wèi) 0.0022 - 0.0095。

这些只是一些要求。此外，还要考虑制造的成本和难易程度。

通常使用(yòng)由聚四氟乙烯(PTFE)、陶瓷和碳氢化合物(wù)制成的材料，或与某种玻璃混合。Rogers材料是射频電(diàn)路板设计的热门选择。罗杰斯的材料种类繁多(duō)。下面是几个例子：

逆转录/杜罗

RO3000

RO4000

罗杰斯TMM

射频PCB叠层

射频板堆叠需要仔细注意组件和走線(xiàn)之间的隔离、電(diàn)源去耦、层数、排列和放置等细节。下图显示了标准的4层射频叠层。

顶层是放置射频元件和走線(xiàn)的地方。顶层紧随其后的是接地层和電(diàn)源层。 底层包含所有(yǒu)非射频部分(fēn)和跟踪信息。 这种安排最大限度地减少了射频和非射频组件之间的干扰。接地层是接地返回電(diàn)流的最短路径。这种叠层非常适合小(xiǎo)型射频板。

射频走線(xiàn)设计

高频信号传播射频迹線(xiàn)，因此容易受到干扰和传输损耗。走線(xiàn)是射频板中的传输線(xiàn)。共面波导、微带線(xiàn)和带状線(xiàn)是最常用(yòng)的传输線(xiàn)。设计人员关心这些線(xiàn)路的特性阻抗。以下是一些确保正确操作和最小(xiǎo)损耗的射频走線(xiàn)设计注意事项。

保持走線(xiàn)尽可(kě)能(néng)短是至关重要的。这减少了衰减。

切勿在布局中平行放置RF和标准走線(xiàn)。如果两者以这种方式放置，则会产生干扰。

需要接地层来提供信号返回路径。

不建议在迹線(xiàn)上放置测试点。它会破坏走線(xiàn)的阻抗匹配值。

对于跟踪性能(néng)，逐渐弯曲比保持急转弯更好。

当无法进行右弯时，PCB设计人员可(kě)以使用(yòng)计量过程来减少其影响。下图说明了如何测量迹線(xiàn)。

以下公式给出 M：

设计地平面

任何射频迹線(xiàn)或组件都需要返回路径，或者允许電(diàn)流通过它传播。这是由地平面完成的。接地层需要额外的设计考虑。让我们来看看它们。

每个射频层都应该有(yǒu)一个专用(yòng)的接地层。為(wèi)了使電(diàn)流路径尽可(kě)能(néng)短，PCB设计人员应将接地层直接放置在每一层的下方。

地平面必须是连续的。不允许休息。这些中断可(kě)能(néng)会為(wèi)電(diàn)流返回的更短路線(xiàn)开辟道路。

必须為(wèi)放置在射频传输電(diàn)缆中的每个分(fēn)流组件安装两个接地过孔。

通过设计

避免射频走線(xiàn)中的过孔应该是重中之重。但是，如果PCB设计人员无法避免这些，则必须遵循特定的过孔尺寸和長(cháng)度。寄生電(diàn)容是由電(diàn)路板中的过孔引起的。在射频板的情况下，该電(diàn)容会影响高频操作。為(wèi)了减少这些频率上的干扰，必须在设计过孔时牢记以下准则：

通过引入更多(duō)的平行过孔来降低寄生電(diàn)容

必须将专用(yòng)过孔连接到组件的每个引脚或焊盘。

尽可(kě)能(néng)使用(yòng)地平面缝合。这為(wèi)電(diàn)流创建了更短的接地回路。

通孔减少了射频走線(xiàn)从一层到下一层的布線(xiàn)。

该设计允许您在内层和顶层接地层之间使用(yòng)尽可(kě)能(néng)多(duō)的过孔。 这些过孔必须至少是信号波長(cháng)的 1/20。

電(diàn)源去耦

射频板需要降噪才能(néng)有(yǒu)效。这些電(diàn)路板容易受到高频噪声的影响。因此，去除噪声是一项复杂的任務(wù)。其中一种方法是電(diàn)源去耦。

选择去耦電(diàn)容

该滤波器可(kě)消除電(diàn)源引入電(diàn)路的任何噪声。这些電(diàn)容器称為(wèi)去耦電(diàn)容器。这些電(diàn)容器连接到電(diàn)源。

阻抗匹配应该是每个射频電(diàn)路板不可(kě)或缺的一部分(fēn)。连接去耦電(diàn)容后，電(diàn)路的阻抗应保持恒定。為(wèi)避免阻抗变化，请遵循以下设计注意事项：

对于去耦，始终连接具有(yǒu)最小(xiǎo)阻抗的電(diàn)容器

要获得最小(xiǎo)阻抗，请在自谐振频率(SRF)下运行電(diàn)容器。電(diàn)容器的SRF值将与其電(diàn)容成反比。

寻找SRF接近噪声频率的電(diàn)容器。

放置去耦電(diàn)容

正确放置去耦電(diàn)容至关重要。下面的電(diàn)路显示了与IC并联放置的两个去耦電(diàn)容器。

较高的電(diàn)容器用(yòng)于过滤低频噪声和存储能(néng)量。较低的電(diàn)容器滤除高频噪声。这些是其他(tā)放置指南：

元件和去耦電(diàn)容应放置在同一表面上。

将電(diàn)容器与信号流路径平行放置。

每个電(diàn)容器都应该有(yǒu)自己的接地通孔。

根据電(diàn)容升序排列電(diàn)容器。電(diàn)容最小(xiǎo)的電(diàn)容离電(diàn)源最近。

制造商(shāng)和设计人员都需要更加关注射频板的设计和制造过程。DFM团队应遵循设计清单。这些板容易受到干扰和高频噪声的影响，因此即使是最轻微的错误也会对操作产生重大影响。这些方面和其他(tā)方法将帮助我们改进我们的设计。