Tegenslagen en oplossingen in RF PCB-ontwerp

Er zijn veel onzekerheden beschikbaar over het ontwerp van RF (radiofrequentie) PCB (printplaat), dat daarom wordt omschreven als "zwarte kunst". Over het algemeen is een zorgvuldige lay-out de garantie voor het eerste succes in circuitontwerp met alle ontwerpprincipes onder de knie als het gaat om circuits met een frequentie onder de magnetron (inclusief laagfrequente en laagfrequente digitale schakelingen). Als het echter gaat om frequenties boven microgolf en hoogfrequente digitale circuits op pc-niveau, kunnen twee tot drie versies van PCB's de circuitkwaliteit garanderen. Wat betreft RF-circuits op een frequentie boven microgolf, zijn er echter meer versies van PCB-ontwerp nodig voor constante verbetering. Daarom zullen er bij het ontwerpen van RF-circuits zeker veel problemen optreden.

De meest voorkomende problemen bij het ontwerpen van RF-circuits

• Interferentie tussen digitale circuitmodule en analoge circuitmodule

Wanneer analoog circuit (RF-circuit) en digitaal circuit onafhankelijk van elkaar werken, is het zeer goed mogelijk dat ze perfect kunnen werken. Maar zodra ze op dezelfde printplaat met dezelfde voeding worden gemengd, zal het hele systeem mogelijk instabiel worden omdat digitale signalen vaak heen en weer gaan tussen aarde en positieve voeding (>3V) en de periode zeer kort zal zijn bij een schaal van nanoseconde. Door een grotere amplitude en kortere schakeltijd zullen alle digitale signalen hoogfrequente elementen bevatten die onafhankelijk zijn van de schakelfrequentie. In analoge secties is de spanning meestal minder dan 1 V van de radioafstemlus naar de ontvanger van de radioapparatuur. Daarom kan het verschil tussen de radio-afstemlus en RF-signalen 120dB bereiken. Het is duidelijk dat als digitale signalen en RF-signalen niet netjes worden gescheiden, zwakke RF-signalen mogelijk schade zullen oplopen. Als gevolg hiervan zal de werkbaarheid van radioapparatuur verslechteren of zelfs niet werken.

• Ruisinterferentie van voeding

RF-circuit is vrij gevoelig voor ruis, wat vooral geldt voor glitch-spanning en andere hoogfrequente harmonische golven. Microcontroller zal plotseling de meerderheid van de stroom binnen elke interne klokperiode absorberen, wat komt omdat alle moderne microcontrollers zijn vervaardigd met de toepassing van CMOS-techniek. Stel daarom dat een microcontroller draait op een interne klokfrequentie van 1 MHz en dat hij dan met een dergelijke frequentie stroom uit de voeding haalt. Als er geen geschikte stroomontkoppeling wordt toegepast, zal er een spanningsstoring optreden op hoogspanningslijnen. Wanneer spanningsstoringen aankomen bij de voedingspinnen van het RF-circuit, zal er mogelijk een storing optreden als deze ernstig is.

• Onredelijke GND

Als GND onredelijk is ingesteld voor RF-circuit, kunnen enkele vreemde resultaten worden gegenereerd. Als het gaat om het ontwerp van digitale circuits, kunnen de meeste digitale circuitfuncties uitstekend worden geïmplementeerd, zelfs als GND niet beschikbaar is. Wat RF betreft, zal echter zelfs een korte aardleiding een gelijkwaardige rol spelen als inductor. Het is bekend dat inductantie met 1nH compatibel is met een lengte van 1 mm, op basis waarvan ruwweg kan worden berekend dat de inductieve reactantie van een PCB met een lengte van 10 mm ongeveer 27Ω moet zijn. Als GND niet wordt toegepast, zullen de meeste aardingslijnen zo lang zijn dat het circuit geen kenmerken vertoont op basis van ontwerp.

• Uitgestraalde interferentie door antenne op andere analoge circuits

In het ontwerp van de PCB-lay-out zijn ook andere analoge circuits beschikbaar op het bord. Veel circuits bevatten bijvoorbeeld analoog-digitaalomzetter (ADC) of digitaal-analoogomzetter (DAC). De hoogfrequente signalen die door de RF-zender worden uitgezonden, komen misschien aan bij de analoge ingangsterminal van ADC omdat elke circuitlijn RF-signalen zal verzenden of ontvangen zoals een antenne dat doet. Als de ingangsaansluiting van de ADC onjuist wordt verwerkt, zullen RF-signalen mogelijk zelfbekrachtigd worden binnen de ESD-diode van de ADC-ingang, wat vervolgens een ADC-afwijking veroorzaakt.

Principes en schema voor RF-circuitontwerp

• Definitie van RF-layout

Bij het ontwerpen van de RF-lay-out moeten eerst de volgende algemene principes worden nageleefd:
① Krachtige versterkers (HPA's) en versterkers met weinig ruis (LNA's) moeten zoveel mogelijk van elkaar worden gescheiden. Kort gezegd, hoogfrequente RF-transmissiecircuits zijn ver weg van laagfrequente RF-ontvangstcircuits geplaatst.
② Er moet ten minste een volledige grond beschikbaar zijn op het hoogfrequente gebied op de printplaat en het is het beste dat er geen doorgaande gaten worden genomen daarop plaats. Hoe groter de oppervlakte van de koperfolie, hoe beter.
③ Het is even belangrijk voor circuits en stroom om door ontkoppeling te gaan.
④ RF-uitvoer moet ver weg zijn van RF-invoer.
⑤ Gevoelige analoge signalen moeten zo ver mogelijk verwijderd zijn van digitale hogesnelheidssignalen en RF-signalen.

• Ontwerpprincipes van fysieke partitionering en elektrische partitionering

Partitionering kan worden ingedeeld in fysieke partitionering en elektrische partitionering. De eerste houdt zich voornamelijk bezig met de lay-out, oriëntaties en afscherming van componenten, terwijl de laatste verder kan worden ingedeeld in stroomverdeling, RF-routering, gevoelig circuit, signalen en grondpartitionering.

a. Principe van fysieke partitie

Component lay-out principe. Componentlay-out speelt een essentiële rol bij het bijdragen aan een goed uitgevoerd RF-ontwerp. De meest effectieve technologie is om eerst componenten te repareren die langs het RF-pad zijn geplaatst en hun oriëntaties te wijzigen zodat het RF-pad kan worden geminimaliseerd met input ver weg van output en high-power circuits en low-power circuits zoveel mogelijk gescheiden.

Ontwerpprincipe van PCB-laminering. De meest efficiënte methode voor het lamineren van circuits is om het hoofdaardingsvlak op de tweede laag onder het eerste vlak te plaatsen en om RF-sporen op het eerste vlak te plaatsen. De grootte van doorgaande gaten op het RF-pad moet tot het minimum worden beperkt, wat de padinductantie kan verminderen en het aantal koude soldeerverbindingen op de hoofdaarde kan verminderen. Bovendien lekt er minder RF-energie naar andere gebieden binnen het lamineren.

RF-componenten en RF-traceerprincipe. Binnen de fysieke ruimte zijn lineaire circuits zoals meertrapsversterkers in staat om alle RF-gebieden te scheiden, maar duplexer, mixer en middenfrequentieversterker/mixer leiden vaak tot wederzijdse interferentie tussen meerdere RF/IF-signalen. Daarom moet dit soort invloed zorgvuldig worden geminimaliseerd. RF/IF-sporen moeten worden gekruist en er moet een grond tussen worden gelaten. Het juiste RF-pad is vrij belangrijk voor de prestaties van PCB's, en daarom vertegenwoordigt de lay-out van componenten het grootste deel van de tijd in het ontwerp van PCB's voor mobiele telefoons.

b. Principe van elektrische scheidingswanden

Krachtoverbrengingsprincipe. DC in de meeste circuits van mobiele telefoons is meestal vrij laag, dus de spoorbreedte hoeft niet zorgvuldig te worden overwogen. Een spoor met grote stroom waarvan de breedte zo breed mogelijk is, moet echter onafhankelijk worden ontworpen voor de voeding van krachtige versterkers om de uitgezonden spanning tot een minimum te beperken. Om te veel stroomverlies te voorkomen, moeten meerdere doorgaande gaten worden toegepast om de stroom van het ene naar het andere vlak over te brengen.

Stroomontkoppeling van apparaten met hoog vermogen. Als er geen volledige koppeling wordt bereikt bij de voedingspinnen van de krachtige versterker, wordt er ruis met een hoog vermogen naar het hele bord uitgestraald, met veel problemen tot gevolg. De aarding van krachtige versterkers is zeer essentieel en voor het ontwerp is meestal een metalen afscherming nodig.

Principe van scheiding van RF input/output. Voor de meeste situaties is het even essentieel om te garanderen dat de RF-uitgang ver verwijderd is van de RF-ingang, wat ook werkt voor versterker, bumper en filter. In de slechtste situaties, als de ingang van de versterker en bumper wordt teruggestuurd naar hun ingangsaansluiting met een aangename fase en amplitude, kunnen zelfopgewekte trillingen worden veroorzaakt. In de beste situaties kunnen ze stabiel werken bij elke temperatuur en spanning. In feite kunnen ze onstabiel worden en ruis en intermodulatiesignalen toevoegen aan RF-signalen.

Al met al heeft het RF-circuit skin-effect en koppelingseffect vanwege het gedistribueerde parametercircuit, waardoor het verschilt van laagfrequent circuit en DC. Als gevolg hiervan moeten de hierboven besproken problemen speciaal worden benadrukt tijdens het ontwerp van RF-circuit-PCB's, zodat het circuitontwerp effectief en nauwkeurig kan zijn.

Handige bronnen
• Richtlijnen voor RF- en microgolf-PCB-ontwerp
• PCB-ontwerp voor radiofrequentieschakeling en elektromagnetische compatibiliteit
• PCBCart biedt fabricageservice voor radiofrequentie-PCB's