Projeto de PCB de alta frequência: Fatores que afetam o desempenho do sinal de RF
Com o surgimento da tecnologia da Internet das Coisas, está se tornando cada vez mais comum que produtos eletrônicos realizem funções de comunicação sem fio, e a tecnologia de comunicação sem fio depende do circuito de RF no PCB para isso. Infelizmente, mesmo os projetistas de PCBs para circuitos de RF também costumam ser proibitivos, porque trazem enormes desafios de projeto e requerem ferramentas profissionais de design e análise de simulação. Por causa disso, por muitos anos, a parte RF do PCB foi projetada por designers independentes com experiência em design RF.
O engenheiro de design do circuito de RF saiu de 18 artes marciais, após uma operação violenta, projetou o layout do circuito de RF abaixo e exportou o formato DXF para o Layout PCB para cópia. Não é legal?
Depois que o design do PCB, Siege Lion importou o arquivo de formato DXF do circuito de RF, descobriu que o traço tem ângulos retos e cantos agudos. Pensei comigo mesmo, emmm, essa radiofrequência é água de verdade, e o salário é maior do que trabalho e capital, então não é necessário evitar chanfros bruscos e transição de arco. Entenda e, em seguida, otimize novamente o roteamento da parte do circuito de RF
resultado…
A fim de evitar mal-entendidos no futuro, as bactérias de radiofrequência evocaram as bactérias de layout após sair do trabalho, fecharam a porta e a maçaneta para guiar alguns pontos relacionados ao design de PCB de radiofrequência.
De acordo com a teoria do circuito de radiofrequência, quando o comprimento de onda do sinal transmitido na linha de conexão do sinal pode ser comparado com o tamanho geométrico do elemento de circuito discreto, o pad do pino IC de radiofrequência, a linha de transmissão do sinal de radiofrequência em o PCB, o dispositivo passivo de radiofrequência, Vias e até mesmo cobre aterrado são fatores importantes que afetam seriamente o desempenho dos sinais de RF.
A linha Microstrip é a escolha ideal para transmissão de sinal de alta frequência em PCB. A menos que a distância de conexão entre o IC e a antena seja muito curta, use um cabo coaxial ou linha de transmissão com impedância característica correspondente. Na placa de circuito impresso, é melhor usar uma linha de transmissão de microfita com a estrutura mostrada na figura abaixo.
A linha de transmissão de microfita inclui um traço de metal de largura fixa (condutor) e uma área de aterramento diretamente abaixo (camada adjacente). Por exemplo, traços na camada 1 (metal superior) requerem uma área sólida de aterramento na camada 2. A largura do traço, a espessura da camada dielétrica e o tipo de dielétrico determinam a impedância característica (geralmente 50Ω ou 75Ω).
Obviamente, além da linha de microfita, há também uma linha de transmissão comum que é a linha de tira, conforme mostrado na figura abaixo
O stripline inclui traços de largura fixa na camada interna e áreas de aterramento acima e abaixo dela. O condutor pode estar localizado no meio da área de aterramento ou ter um determinado deslocamento. Este método é adequado para o roteamento interno de radiofrequência.
Visto que o stripline também é adequado para roteamento de RF, por que Lao Wu diz que a linha microstrip é a escolha ideal para transmissão de sinal de alta frequência em PCB?
Seja uma linha de microfita ou stripline, ambas possuem excelente desempenho na transmissão de frequências de ondas milimétricas, e a diferença está no custo de fabricação.
Em comparação com os circuitos stripline, os circuitos microtira têm menos etapas de processamento e os componentes do circuito são mais fáceis de colocar e, portanto, mais fáceis de fabricar (custos de fabricação mais baixos). Em comparação com as linhas de microfita, as linhas de fita podem fornecer mais isolamento para linhas de circuito adjacentes e oferecer suporte a um layout de componente mais denso. Além disso, os circuitos stripline também são muito adequados para a fabricação de placas de circuito multicamadas e cada camada pode ser bem isolada.
As propriedades elétricas dos condutores de microfita e stripline são afetadas pela constante dielétrica do material isolante e pelo efeito de proximidade da camada de solo. A linha de microfita possui apenas um plano de solo, enquanto a stripline possui dois planos de solo. Para uma linha de microfita, a constante dielétrica efetiva que afeta a impedância do condutor é a soma da constante dielétrica relativa do material isolante e do ar acima do circuito (igual a 1). A constante dielétrica efetiva da linha de tira é a soma das constantes dielétricas relativas dos substratos superior e inferior do condutor.
Como acontece com todos os circuitos de alta frequência, manter a impedância sob controle é crítico para alcançar amplitude consistente e desempenho elétrico de resposta de fase. A impedância dos condutores das duas linhas de transmissão é, entre outros fatores, uma função da largura do condutor, a espessura do condutor, a espessura do substrato isolante e a permissividade relativa ou constante dielétrica do substrato. Para linhas de fita, não importa se a distância entre o condutor central e os dois planos de aterramento é igual, ou se as constantes dielétricas dos isoladores acima e abaixo do condutor são as mesmas (o mesmo é verdadeiro para linhas de microtira).
A stripline tem dois planos de aterramento, de modo que a linha de 50 or (ou qualquer impedância dada) da stripline é mais fina que o condutor da mesma impedância da linha de microfita. Embora fios mais finos suportem uma densidade de circuito maior, fios mais finos também exigem tolerâncias de fabricação mais rígidas e a constante dielétrica de todo o substrato do circuito deve ser muito consistente. A perda dielétrica da linha de transmissão de terminação única (desequilibrada) da linha de microfita (definida pelo fator de dissipação do substrato) é menor do que a linha de tira. Isso ocorre porque algumas linhas de campo da linha de microfita estão no ar e o fator de dissipação pode ser ignorado.
É claro que o desempenho dessas duas linhas de transmissão é quase o mesmo que o desempenho do transportador usado em sua fabricação - o substrato isolante. Assim como os materiais PCB usados, como o FR-4, podem reduzir custos, mas ao mesmo tempo limitar seu desempenho. De acordo com as diferentes linhas de microfita e aplicações de linha de tira, a escolha do material mais adequado desempenhará melhor o papel dessas duas linhas de transmissão. vantagem.
Tal como acontece com muitas decisões de engenharia, a escolha de microstrip ou stripline será avaliada. Por exemplo, circuitos stripline têm uma alta densidade de circuito. Portanto, sob as mesmas condições de frequência, eles exigem mais camadas de material, mais tempo e despesas de processamento e mais atenção ao processamento de detalhes do que os circuitos de microfita.
Em comparação com as linhas de microfita e tiras comuns, existe outro tipo de linha de transmissão de radiofrequência que é um guia de onda coplanar aterrado, que fornece melhor isolamento entre as linhas de radiofrequência adjacentes e outras linhas de sinal. Este meio inclui o condutor do meio e a área de aterramento em ambos os lados e abaixo, conforme mostrado abaixo:
Recomenda-se a instalação através de "cercas" em ambos os lados da guia de ondas coplanar aterrada, conforme mostrado na figura abaixo. Esta vista superior fornece um exemplo de instalação de uma linha de vias de aterramento na área de aterramento de metal superior em cada lado do condutor intermediário. A corrente de loop causada na camada superior está em curto com o plano de aterramento abaixo.
Em comparação com a linha de microfita, o guia de onda coplanar aterrado não só tem um plano de aterramento na superfície inferior do meio, mas também possui planos de aterramento em ambos os lados da linha de transmissão de sinal na parte superior do meio, portanto, possui um aterramento maior área. O guia de ondas coplanar atinge a estabilidade do desempenho elétrico usando o plano de aterramento para circundar a linha de sinal.
Os modos de transmissão da linha de microfita e do circuito de guia de onda coplanar aterrado são ambos modos eletromagnéticos quase transversais (quase TEM). Devido à estrutura de aterramento aprimorada do circuito de guia de onda coplanar aterrado, sua usinagem é mais complicada até certo ponto. Comparado com a linha de microfita, o circuito de guia de onda coplanar aterrado tem as características de baixa dispersão. Quando a frequência aumenta para a faixa de onda milimétrica, o circuito de guia de onda coplanar aterrado tem menor perda de radiação do que o circuito de linha de microfita.
Devido à estrutura de aterramento aprimorada, o circuito de guia de onda coplanar aterrado tem uma largura de banda efetiva mais ampla e uma faixa de impedância maior do que o circuito de microfita. No entanto, a estrutura do circuito de microfita é relativamente robusta e sua estrutura de circuito de aterramento simples é fácil de processar. Além disso, o desempenho do circuito de microfita não é sensível aos fatores de processamento do circuito, e o desempenho do circuito é menos afetado pela diferença no condutor / corrosão da lacuna e pela diferença na espessura do condutor.
As curvas acentuadas no layout do circuito de RF são especialmente projetadas para compensação de curva de linha de transmissão.
Quando a linha de transmissão precisa dobrar (mudar a direção) devido a restrições de fiação, o raio de curvatura usado deve ser de pelo menos 3 vezes a largura do condutor intermediário. Em outras palavras:
Raio de curvatura ≥ 3 × (largura da linha).
Isso minimiza a alteração da impedância característica do canto.
Caso não seja possível obter uma curvatura gradual, a linha de transmissão pode ser curvada em ângulos retos (não curvos), conforme mostrado na figura abaixo. No entanto, isso deve ser compensado para reduzir a mudança repentina na impedância causada pelo aumento na largura efetiva da linha local ao passar pelo ponto de flexão.
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