Richtlijnen voor RF- en magnetronontwerp

RF- en microgolfcircuits zijn nu enkele van de meest voorkomende PCB-ontwerpen in de elektronica-industrie, erkend vanwege hun vermogen om hogere frequenties op te vangen dan normale circuits. Vroeger te duur om te maken voor iets buiten de militaire en ruimtevaartindustrie, zijn RF- en microgolfcircuits nu een integraal onderdeel van een breed scala aan commerciële en professionele producten, met name draadloze communicatieapparatuur zoals mobiele telefoons, satellietzenders en draadloze netwerken. Met hogere frequenties komen er echter meer ontwerpuitdagingen.

Om ervoor te zorgen dat deze hoogfrequente RF- en microgolfcircuits succesvol zijn, moeten leveranciers verschillende RF- en microgolfontwerptechnieken voor PCB's overwegen.

Basisprincipes van RF- en magnetron-PCB's

De eenvoudigste manier om RF- en microgolf-PCB's te beschrijven, is dat ze componenten bevatten die RF- of microgolfsignalen dragen. Deze signalen variëren in frequentie en de verschillen in frequentie bepalen de verschillen in componenten tussen RF- en microgolf-PCB's en andere PCB-typen. Het begrijpen van de basisprincipes van RF- en microgolffrequenties is echter de eerste stap om het ontwerp van RF-PCB's en microgolf-PCB's te begrijpen.

In wezen is een elektronisch signaal een hoeveelheid die in de loop van de tijd varieert en een soort informatie communiceert. De hoeveelheid die varieert is meestal spanning of stroom. Deze signalen worden tussen apparaten doorgegeven als een manier om informatie, zoals audio, video of gecodeerde gegevens, te verzenden en te ontvangen. Hoewel deze signalen vaak via draden worden verzonden, kunnen ze ook door de lucht worden doorgegeven via radiofrequentie- of RF-golven.

Deze radiofrequentiegolven variëren tussen 3 kHz en 300 GHz, maar zijn omwille van de bruikbaarheid onderverdeeld in kleinere categorieën. Deze categorieën omvatten de volgende:

• Laagfrequente signalen: Dit zijn de signalen die worden verwerkt door de meeste traditionele analoge componenten, en ze bevatten signalen met frequenties tot 50 MHz.

• RF-signalen: Terwijl radiofrequentie, of RF, signalen technisch gezien een breed scala aan signaalfrequenties bestrijken, gebruiken circuitontwerpers de term in een beperkter bereik. Binnen dit veld varieert een RF-signaalfrequentie typisch van 50 MHz tot 1 GHz. Dit zijn dezelfde signaalfrequenties die worden gebruikt bij AM/FM-transmissie.

• Magnetronsignalen: Microgolfsignalen hebben frequenties boven 1 GHz. De bovengrens van deze signalen ligt rond de 30 GHz. Dit zijn dezelfde magnetrons die worden gebruikt om ons voedsel in magnetronovens te koken. Ze worden ook gebruikt om signalen met een zeer hoge bandbreedte te communiceren.

De hierboven beschreven signalen vallen binnen de categorie van analoge signalen, hoewel RF- en microgolfsignalen aanzienlijk hoger zijn dan de meeste standaard analoge signalen die worden gebruikt in traditionele PCB-ontwerpen. Analoge signalen zijn inherent verschillend van digitale signalen, en elke categorie vereist verschillende componenten om hun signalen te verwerken. Deze signalen worden hieronder in meer detail beschreven:

• Analoge signalen: Een analoog signaal varieert continu in de tijd en als je dit signaal in een grafiek bekijkt, wordt het weergegeven als een vloeiende golf. Op deze golf zijn er een oneindig aantal waardemogelijkheden binnen een beperkt bereik van maximum- en minimumwaarden. De meeste elektronische componenten (weerstanden, condensatoren, transistors, enz.) werken met analoge signalen, hoewel puur analoge circuits veel moeilijker te ontwerpen zijn dan digitale PCB's. Dit komt vooral door hun gevoeligheid voor lawaai en andere problemen. Standaard analoge signalen vallen meestal tussen DC en 100 MHz of zo, maar ze variëren sterk in frequentie. RF-signalen zijn inherent analoge signalen.

• Digitale signalen: In tegenstelling tot analoge signalen werken digitale signalen met een eindige reeks waarden. Het aantal waarden in deze set kan erg groot zijn, maar is niet oneindig. Het is gebruikelijk om deze digitale signalen met twee waarden te zien werken, maar het signaal kan slechts één van die twee waarden tegelijk zijn. Als we naar dit type signaal in de loop van de tijd kijken, zijn de golven die worden gecreëerd door de verandering in signalen vierkant in plaats van continu. Digitale signalen kunnen proberen de vloeiende golven van analoge signalen te repliceren, maar deze digitale golven zullen altijd bestaan ​​uit discrete stappen in plaats van vloeiende curven. Deze discrete signalen betekenen echter dat digitale circuits gemakkelijker te ontwerpen zijn dan analoge circuits, hoewel ze meestal duurder zijn.

Het is gebruikelijk om beide signalen binnen een enkel circuit te vinden, met componenten die zijn ontworpen om een ​​signaal van de ene vorm naar de andere om te zetten. Dit soort circuits moet echter zorgvuldig worden ontworpen, vooral wanneer de analoge componenten hoogfrequente signalen zoals RF-signalen verwerken. Hoe hoger de frequentie, hoe meer kans op problemen, zoals ruis.

Veelvoorkomende problemen en oplossingen voor RF- en magnetron-PCB-ontwerpen

PCB-lay-outs met RF- of microgolfcircuits zijn vaak veel moeilijker te ontwerpen dan de typische analoge of digitale PCB. Dit komt door enkele van de meer problematische eigenschappen en kwaliteiten die verband houden met RF-signalen. Houd bij het ontwerpen van een RF- of magnetron-PCB rekening met de volgende punten en problemen.

Basisbeginselen van PCB-ontwerp

Allereerst moeten RF- en microgolf-PCB's zo worden ontworpen dat de kans op fouten tijdens het assemblageproces tot een minimum wordt beperkt. Enkele van de meest elementaire richtlijnen voor het ontwerpen van RF-lay-outs zijn:

• Onderdelen gescheiden houden: Als een bord meerdere soorten onderdelen heeft, zoals low-level analoge, RF- en digitale componenten, moeten deze gescheiden worden gehouden. Dit is niet alleen gemakkelijker voor de ontwerper om te beheren, maar het minimaliseert ook de kans op catastrofale problemen tijdens de montagefase.
• Meerlagige PCB's: Idealiter zouden RF- en microgolf-PCB's meer dan één laag moeten bevatten. De bovenste laag moet zowel de vermogenstrap als RF-signaallijnen en componenten bevatten. Zorg ervoor dat als je een meerlagige PCB hebt, er een grondlaag is onder elke laag die RF- of microgolfsignaallijnen bevat.
• Gevoeligheid voor ruis: Ontwerpers van RF- en microgolf-printplaten moeten begrijpen hoe gevoelig deze hoogfrequente signalen zijn voor ruis. Hoewel de meeste ontwerpers gewend zijn om met een dergelijke gevoeligheid te werken in snelle digitale signalen, moeten ze aanzienlijk voorzichtiger zijn met RF- en microgolfsignalen, omdat ze nog gevoeliger zijn. Deze signalen zijn ook gevoelig voor een grotere verscheidenheid aan soorten ruis. Deze extreme gevoeligheid betekent dat eventuele signaalruis, reflectie of rinkelen moet worden verzacht.

Ruis is een term die wordt gebruikt om ongewenste variaties in spanning te beschrijven, die fouten en functionele problemen binnen het circuit veroorzaken. Ruis komt in verschillende vormen voor en valt binnen de volgende categorieën volgens de verdeling van de frequentie:

• Witte ruis: Dit is een soort ruis die alle frequenties in gelijke mate versterkt.
• Roze ruis: Roze ruis produceert geen vlakke respons, maar oscilleert in plaats daarvan met toenemende frequentie.
• Band beperkt ruis: De frequentieband van deze ruis wordt beperkt door de filters of het circuit waar het doorheen gaat.

RF-ruis kan afkomstig zijn van een aantal bronnen, die ook zijn onderverdeeld naar type. Deze worden hieronder beschreven, samen met oplossingen voor elk type ruis:

• Thermische ruis: Ook wel Johnson- of Johnson Nyquist-ruis genoemd, dit soort geluid is het resultaat van thermische agitatie. Deze thermische verstoring beïnvloedt de ladingsdragers in een geleider, prikkelt ze meer dan bedoeld en produceert daarom ruis. Dergelijke problemen kunnen meestal worden opgelost door de effecten van temperatuur op het circuit te minimaliseren, vaak door de temperatuur te regelen via koelsystemen rond het circuit of door warmteafvoervoorzieningen op het circuit zelf.
• Schootgeluid: Deze ruis komt van de fluctuaties in elektrische stroom in de tijd, veroorzaakt door de discrete aard van elektronenladingen. Omdat deze ruis wordt veroorzaakt door stroom, is het moeilijk om er vanaf te komen, hoewel metalen weerstanden de neiging hebben om het optreden ervan te minimaliseren. Gelukkig is schotruis alleen zichtbaar in apparaten zoals tunnelovergangen en barrièrediodes.
• Faseruis: Dit type RF-ruis is zichtbaar op radiofrequentiesignalen en kan de prestaties van een systeem aanzienlijk beïnvloeden. Deze ruis verschijnt als fase-jitter, of fluctuaties, binnen het signaal zelf, wat zich manifesteert als zijbanden die zich naar elke kant van het signaal of de draaggolf verspreiden. Dit kan een bijzonder problematisch type ruis zijn bij het dragen van digitale informatie, aangezien faseruis de bitfoutfrequentie kan verslechteren en daarmee de kwaliteit van de gegevens die worden verzonden. Schonere signalen zijn de beste manier om deze ruis te verminderen, waarmee vroeg in het ontwerpproces rekening moet worden gehouden.
• Knippergeluid: Ook wel 1/f ruis genoemd, deze ruis komt voor in bijna alle elektronica en wordt meestal veroorzaakt door de gelijkstroom. Het is evenredig met het omgekeerde van de signaalfrequentie, maar het manifesteert zich op dezelfde manier als faseruis. Door het signaal door een gespecialiseerd filter te verwerken, wordt dit soort ruis meestal verminderd.
• Lawaaigeluid: Deze ruis wordt veroorzaakt door een junctiediode die te dicht op het punt van lawinedoorslag werkt. Het resultaat is veel ruis bij de diode. Het verwijderen van dit lawinegeluid is net zo eenvoudig als het gebruik van een op condensatoren gebaseerd filter of een afvlakkingsnetwerk.

Veel ruis kan worden verminderd met geschikte banddoorlaatfilters, die de signalen in een "interessante band" verzenden. Alleen signalen binnen een bepaald frequentiebereik kunnen door dit filter gaan, terwijl het filter de rest blokkeert. Dit lost echter het probleem van onnauwkeurige signalen binnen het frequentiebereik niet op. Idealiter moet de bron van het geluid worden verwijderd via een van de bovenstaande methoden.

Impedantie-aanpassing

Impedantieaanpassing is een andere belangrijke vereiste voor RF-printplaten. Hoewel digitale signalen met hoge snelheid enigszins tolerant zijn als het gaat om impedantie-aanpassing, geldt hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de tolerantie. Bij RF- en microgolfsignalen is deze tolerantie bijzonder krap.

Er zijn verschillende dingen waarmee u rekening moet houden wanneer u impedantie-aanpassing in uw ontwerp overweegt. Deze omvatten het volgende:

• Verlies van huideffect: Bij hogere frequenties zullen elektronen langs het buitenoppervlak van de geleider gaan stromen. Dit wordt een 'skin-effect' genoemd. Bij het spoor wordt een klein gebied gebruikt om elektronen te geleiden. Deze trechter vangt echter ook een deel van de elektronen op die aan de buitenkant van de geleider stromen en zet hun signaalenergie om in warmte. Dit is wat 'skin effect loss' wordt genoemd. Dit verlies kan het beste worden geminimaliseerd met de juiste impedantie-aanpassing en zelfs PCB-plating met goud.

• Houd lijnlengtes laag: Hoe langer de lijnen die RF/microgolfsignalen dragen, hoe groter de kans op signaalverlies. Idealiter zou de lijn 1/20 van de golflengte moeten zijn. Als het langer moet zijn dan 1/16 van de golflengte, ook wel de kritische signaallengte genoemd, moet u impedantieregeling toepassen op dat spoor met L- en C-componenten aan het einde van de lijn.

Rendementverlies

Retourverlies wordt vaak veroorzaakt door signaalreflectie. Helaas, aangezien RF- en microgolfsignalen gevoeliger zijn voor signaalruis, is retourverlies een prominenter probleem. Terwijl retoursignalen meestal het pad van de minste weerstand volgen, hebben signalen met een hogere frequentie de neiging om het pad van de minste inductantie te nemen. Dergelijke paden bevatten meestal de grondvlakken onder het oorspronkelijke signaal.

Om retourverlies te minimaliseren, moeten grondvlakken continu zijn van de bestuurder naar de ontvanger, anders zou het retoursignaal door andere vermogensvlakken kunnen gaan. Omdat deze alternatieve paden minder ideaal zijn, kunnen ze aanzienlijke signaalruis veroorzaken door reflectie en rinkelen, of zelfs verloren gaan in de vorm van warmte.

Overspraak

Overspraak is een onbedoelde overdracht van energie tussen geleiders, wat resulteert in een gekoppeld signaal. Een dergelijke overdracht is meestal het resultaat van wederzijdse inductantie en shuntcapaciteit, en het optreden van overspraak neemt meestal toe naarmate de dichtheid en prestaties van een PCB toenemen. Ook de nabijheid van de geleiders, de afstand waarover ze evenwijdig lopen en de flanksnelheid van de actieve lijn spelen een belangrijke rol. Overspraak is vaak een serieus probleem voor hoogfrequente ontwerpen, zoals RF- en microgolfontwerpen, en daarom moeten ontwerpers doen wat ze kunnen om overspraak te voorkomen.

Overspraak moet zoveel mogelijk worden geminimaliseerd. Gelukkig zijn er meerdere manieren om dit te doen. Deze methoden omvatten:

• Signalen scheiden: De afstand van centrum tot centrum zou idealiter ongeveer vier keer de spoorbreedte van de signalen moeten zijn.

• Minimaliseer parallelle lijnen: Als de lijnen absoluut evenwijdig aan elkaar moeten lopen, houd dan de afstand waarover de lijnen parallel aan elkaar lopen tot een minimum beperkt.

• Verklein de diëlektrische afstand: De diëlektrische afstand tussen een lijn en zijn referentievlak moet worden geminimaliseerd.

• Introduceer een co-planaire structuur: Plaats een grondvlak tussen de sporen.

• Beëindig de lijn: Het beëindigen van de lijn op zijn karakteristieke impedantie kan overspraak met maar liefst 50 procent verminderen.

Laminaateigenschappen

De eigenschappen van een PCB-laminaat kunnen een aanzienlijk effect hebben op de functionaliteit van een RF- of Microgolf-PCB. FR4 heeft bijvoorbeeld een hogere dissipatiefactor dan hoogfrequente laminaten, wat betekent dat FR4-laminaten kunnen leiden tot hogere invoegverliezen naarmate de signaalfrequenties toenemen. Bovendien is de diëlektrische constante, of Dk-waarde, van FR4 meestal hoger en variabeler dan die van hoogfrequente laminaten. FR4 Dk-waarden kunnen tot 10 procent variëren, wat op zijn beurt de impedantie varieert.

Diëlektrisch verlies is een veelvoorkomend probleem dat verband houdt met de eigenschappen van het laminaat. Net als bij verlies door skin-effect, treedt diëlektrisch verlies op wanneer elektronen door een geleider stromen en terugkaatsen op de elektronen van het FR4-PCB-substraat. Tijdens de interactie van deze elektronen wordt een deel van de signaalenergie van de stromende elektronen overgedragen aan de FR4-elektronen, die de energie op hun beurt omzetten in warmte. Dit soort verlies kan worden vermeden door substraten te gebruiken met zeer lage dissipatiefactoren, zoals polytetrafluorethyleen Teflon, dat een dissipatiefactor heeft van ongeveer 0,001 in tegenstelling tot de dissipatiefactor van FR4 van 0,02.

Haal meer uit uw PCB-ontwerpen met Millennium Circuits Limited

Als u meer wilt weten over PCB-ontwerpen of als u een best beoordeelde PCB-leverancier wilt vinden, is Millennium Circuits Limited (MCL) de beste keuze in de branche.

Sinds 2005 legt MCL zich toe op de fabricage van hoogwaardige printplaten en nu, meer dan tien jaar later, zetten we ons nog steeds in voor dat doel. Tegenwoordig is MCL het nieuwste particuliere, ISO-9001-gecertificeerde productiebedrijf voor printplaten met groot volume, gevestigd in Harrisburg, Pennsylvania. Ons doel is nu net zo eenvoudig als toen we begonnen:elke keer de beste PCB produceren. Of u nu een kleine prototype-batch of een grote PCB-bestelling nodig heeft, wij kunnen dit snel en met de hoogst mogelijke productkwaliteit voor elkaar krijgen. We hebben productiefaciliteiten over de hele wereld, waardoor we uw PCB's kunnen maken volgens uw budget en tijdschema.

Wanneer u samenwerkt met MCL, werkt u samen met een bedrijf dat ernaar streeft u de best mogelijke service te bieden en een relatie met u op te bouwen, zodat u zich op uw gemak voelt om met ons samen te werken. Vanaf vandaag heeft MCL een tevredenheidsscore van 98% onder zijn klanten behaald, waarbij 99% van onze leveringen op tijd aankomen. Dat is de reden waarom meer dan 400 bedrijven over de hele wereld ervoor kiezen om met MCL samen te werken boven elk ander PCB-leveranciersbedrijf.

Neem vandaag nog contact met ons op voor meer informatie over wat MCL voor u en uw volgende PCB kan betekenen.