Uitdagingen in RF PCB-ontwerp overwinnen: Bewezen oplossingen voor betrouwbare prestaties

De meest voorkomende problemen in RF-schakelingontwerp

Er zijn veel onzekerheden in RF (radiofrequentie) PCB (geprinte schakelkaart) ontwerp, wat vaak wordt omschreven als "zwart kunst". Over het algemeen geldt: bij schakelingen met frequenties onder de golfdolfrequenties (waaronder lage frequenties en lage-frequente digitale schakelingen) is een zorgvuldige layout de garantie voor eerste-keer-succes in schakelontwerp, mits alle ontwerprincipes beheerst worden. Bij frequenties boven de golfdolfrequenties en hoogfrequente PC-niveau digitale schakelingen zijn echter twee tot drie PCB-versies nodig om de schakelkwaliteit te waarborgen. Wat RF-schakelingen betreft bij frequenties boven de golfdolfrequenties, zijn nog meer ontwerpiteraties nodig voor continue verbetering. Er zullen dus onvermijdelijk veel problemen optreden tijdens RF-schakelontwerp.

De meest voorkomende problemen in RF-schakelingontwerp

Storing tussen digitale en analoge schakelmodules

Wanneer analoge schakelingen (RF-schakelingen) en digitale schakelingen onafhankelijk werken, functioneren ze meestal perfect. Maar zodra ze op dezelfde printplaat worden gecombineerd en afhankelijk zijn van dezelfde voeding, kan het hele systeem instabiel worden. Digitale signalen schakelen namelijk frequent tussen massa en positieve voeding (>3V) met zeer korte periodes op nanoschaal. Vanwege de grote amplitude en snelle schakeltijden bevatten alle digitale signalen hoogfrequente componenten die onafhankelijk zijn van de schakelfrequentie. In analoge secties is de spanning meestal minder dan 1µV, van de radio-afstemlus tot de radio-ontvanger. Het verschil tussen de radio-afstemlus en RF-signalen kan 120dB bedragen. Als digitale en RF-signalen niet netjes gescheiden worden, kunnen zwakke RF-signalen beschadigd raken, wat leidt tot verslechterde werking of volledige uitval van de radioapparatuur.

Storing door voedingsruis

RF-schakelingen zijn zeer gevoelig voor ruis, met name voor spanningspieken en andere hoogfrequente harmonischen. Microcontrollers absorberen plotseling de meeste stroom binnen elke interne klokcyclus, omdat alle moderne microcontrollers met CMOS-techniek worden gefabriceerd. Stel dat een microcontroller draait op 1MHz interne klokfrequentie, dan trekt hij stroom van de voeding met die frequentie. Als er geen geschikte voedingsdecoupling wordt toegepast, ontstaat spanningsruis op de voedingslijnen. Wanneer deze pieken de voedingspinnen van de RF-schakeling bereiken, kan dat tot storing leiden.

Onredelijke GND-layout

Als de GND (massa) voor RF-schakelingen onredelijk is ingesteld, kunnen vreemde resultaten optreden. Bij digitaal ontwerp werken de meeste functies zelfs zonder goede GND nog uitstekend. Maar bij RF speelt zelfs een korte massa-lijn de rol van een spoel. De inductie van 1nH komt overeen met een lengte van 1mm, zodat de inductieve reactantie van een 10mm PCB-spoor ongeveer 27Ω bedraagt. Zonder goede GND worden de massalijnen te lang, waardoor de schakeling niet meer voldoet aan de ontwerpspecificaties.

Uitstralingsstoring door antenne op andere analoge schakelingen

In PCB-layouts zijn ook andere analoge schakelingen aanwezig, zoals ADC's (analog-naar-digitale omzetters) of DAC's (digitale-naar-analoge omzetters). De hoogfrequente signalen die door de RF-zender worden uitgezonden, kunnen de analoge ingang van de ADC bereiken, omdat elke schakellijn fungeert als antenne. Als de ADC-ingang niet correct wordt behandeld, kunnen RF-signalen zelfontsteking veroorzaken in de ESD-diode van de ADC-ingang, wat leidt tot ADC-afwijkingen.

RF-schakelontwerppincipes en -schema's

Definitie van RF-layout

Bij het ontwerpen van RF-layout moeten de volgende algemene principes worden nageleefd:

1. Hoge-vermogen versterkers (HPA's) en lage-ruis versterkers (LNA's) zo veel mogelijk scheiden. Kortom: hoogfrequente RF-zendschakelingen ver van laagfrequente RF-ontvangschakelingen plaatsen.
2. Minimaal één complete massa-laag op het hoogfrequente gebied van de PCB, bij voorkeur zonder doorvoeringen. Hoe groter de koperfolie-oppervlakte, hoe beter.
3. Decoupling is even essentieel voor schakelingen en voeding.
4. RF-uitgang ver van RF-ingang plaatsen.
5. Gevoelige analoge signalen zo ver mogelijk van hoogspedige digitale signalen en RF-signalen houden.

Ontwerprincipes van fysieke en elektrische partitionering

Partitionering kan worden ingedeeld in fysieke en elektrische partitionering. De eerste betreft voornamelijk componentenlayout, oriëntaties en afscherming, terwijl de laatste verder kan worden onderverdeeld in voedingsdistributie, RF-routing, gevoelige schakelingen, signalen en massa-partitionering.

a. Principe van fysieke partitionering

Componentenlayout-principe. Componentenlayout speelt een cruciale rol in goed presterend RF-ontwerp. De meest effectieve techniek is om eerst componenten langs het RF-pad te fixeren en hun oriëntaties aan te passen, zodat het RF-pad geminimaliseerd wordt met ingang ver van uitgang en hoge-vermogen schakelingen gescheiden van lage-vermogen schakelingen.

PCB-laminatie-ontwerpprincipe. De meest efficiënte laminatiemethode is om de hoofdmassa-laag op de tweede laag onder de eerste laag te plaatsen en RF-sporen op de eerste laag. De afmetingen van doorvoeringen op het RF-pad moeten geminimaliseerd worden, wat de pad-inductantie vermindert en het aantal koude soldeerplaatsen op de hoofdmassa vermindert. Bovendien lekt minder RF-energie naar andere lagen.

RF-componenten en RF-tracing principe. In de fysieke ruimte kunnen lineaire schakelingen zoals meertrapsversterkers alle RF-gebieden scheiden, maar duplexers, mixers en tussenfrequentie-versterkers/mixers veroorzaken vaak wederzijdse storing tussen meerdere RF/IF-signalen. Deze invloed moet zorgvuldig geminimaliseerd worden. RF/IF-sporen moeten gekruist worden met een massa ertussen. Een correct RF-pad is cruciaal voor PCB-prestaties, weshalb componentenlayout het grootste deel van de tijd in beslag neemt bij mobiele telefoon PCB-ontwerp.

b. Principe van elektrische partitionering

Voedingstransmissie-principe. De DC-stroom in de meeste mobiele telefoon-schakelingen is meestal laag, dus spoorbreedte hoeft niet kritisch te zijn. Echter, een spoor met grote stroom moet zo breed mogelijk en onafhankelijk ontworpen worden voor de voeding van hoge-vermogen versterkers, om de overgedragen spanning te minimaliseren. Om te veel stroomverlies te voorkomen, moeten meerdere doorvoeringen worden gebruikt om stroom van de ene laag naar de andere te transporteren.

Voedingsdecoupling van hoge-vermogen apparaten. Als volledige decoupling niet bereikt wordt aan de voedingspinnen van een hoge-vermogen versterker, wordt hoge-vermogen ruis naar het hele bord gestraald met veel problemen tot gevolg. De aarding van de hoge-vermogen versterker is cruciaal en een metalen afschermkap is meestal nodig.

RF in-/uitgangscheiding-principe. In de meeste situaties is het even essentieel om te garanderen dat de RF-uitgang ver van de RF-ingang is, wat ook geldt voor versterkers, buffers en filters. In de ergste situaties kan, als de ingang van de versterker en buffer terugkeert naar hun ingangsterminal met een gunstige fase en amplitude, zelfontsteking ontstaan. In de beste situaties werken ze stabiel bij elke temperatuur en spanning. In de praktijk kunnen ze echter instabiel worden en ruis en intermodulatie-signalen toevoegen aan RF-signalen.

Kortom, RF-schakelingen vertonen huid-effect en koppelings-effect vanwege hun verdeelde-parameter aard, wat ze fundamenteel verschillend maakt van lage-frequente schakelingen en DC. De bovenstaande kwesties moeten daarom bij RF-schakeling PCB-ontwerp nadrukkelijk benadrukt worden, zodat het ontwerp effectief en nauwkeurig is.

Nuttige bronnen

• Richtlijnen voor RF- en golfdolf-PCB-ontwerp
• PCB-ontwerp voor radiofrequentie-schakelingen en elektromagnetische compatibiliteit
• PCBCart biedt RF-PCB-fabricageservice