تعرف على الإرشادات الأساسية لتصميم الدوائر المطبوعة للميكروويف والترددات اللاسلكية

الكلمات المفتاحية: لوحة الدوائر المطبوعة عالية التردد اللاسلكي والميكروويف

لم يكن هناك طلب كبير على لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد اللاسلكي والميكروويف قبل بضعة عقود. كان من الصعب تصميمها ضمن بنى العصر آنذاك. وكانت مشاريع باهظة التكلفة يصعب تحملها. لكن اليوم، تُحشر دوائر التردد اللاسلكي في مجموعة كبيرة ومتنوعة من المنتجات التجارية. معظم هذه الأجهزة هي أجهزة لاسلكية محمولة باليد للاتصالات والتطبيقات الصناعية والطبية، لتصبح وحدات اتصالات محمولة. تنتقل التطبيقات من النماذج المكتبية إلى مجالات متنوعة. أصبحت دوائر التردد اللاسلكي والميكروويف أكثر انتشارًا، حيث تلتقط الترددات العالية جدًا والفائقة الارتفاع.

تشمل لوحات الدوائر المطبوعة تقنيات أكثر بكثير من مجرد التقنيات الرقمية الخالصة أو التقنيات المختلطة الإشارات، ويواجه مصمم تخطيط لوحات الدوائر المطبوعة تحديات أكثر بكثير عند تصميم التجميعات الفرعية ذات دوائر الميكروويف والتردد اللاسلكي عالية التردد.

يتراوح نطاق تردد التردد اللاسلكي عادةً من 500 ميجاهرتز إلى 2 جيجاهرتز، وتصميمات التردد اللاسلكي هي تلك التي تزيد عن 100 ميجاهرتز. أي شيء فوق 2 جيجاهرتز يقع ضمن نطاق تردد الميكروويف. هناك فرق كبير بين الدوائر التناظرية والرقمية النموذجية وبين دوائر الميكروويف والتردد اللاسلكي. في جوهرها، إشارات التردد اللاسلكي هي إشارات تناظرية عالية التردد جدًا. لذلك، على عكس الإشارات الرقمية، يمكن أن تكون إشارة التردد اللاسلكي عند أي مستوى تيار وجهد في أي نقطة زمنية بين الحدين الأقصى والأدنى.

يُفترض أن الإشارات التناظرية القياسية تقع بين التيار المستمر وبضع مئات من الميجاهرتز. لكن إشارات الميكروويف والتردد اللاسلكي تكون على نطاق من الترددات أو تردد واحد على موجة حاملة عالية التردد جدًا. تعمل إشارات الميكروويف والتردد اللاسلكي على تردد معين.

تُصمم دوائر الميكروويف والتردد اللاسلكي لتمرير الإشارات ضمن نطاق معين. وتستخدم مرشحات تمرير النطاق لإرسال الإشارات في ما يسمى بنطاق الاهتمام. يتم ترشيح باقي ترددات الإشارة، وتمر الإشارة عبر هذا النطاق ضمن نطاق ترددي معين. يمكن حمل نطاق واحد على موجة حاملة عالية التردد جدًا، ويمكن أن يكون واسعًا جدًا أو ضيقًا.

مشاكل تصميم تخطيط لوحات الدوائر المطبوعة مع دوائر الميكروويف أو التردد اللاسلكي

من الصعب في الغالب تصميم تخطيطات لوحات الدوائر المطبوعة التي تتضمن دوائر الميكروويف أو التردد اللاسلكي. ومع ذلك، فإن القاعدة الأساسية هي البدء بالأساسيات واتباع قوانين الفيزياء بغض النظر عن صعوبتها. يجب أن يكون مصمم لوحات الدوائر المطبوعة على علم مسبق بأن إشارات الميكروويف حساسة جدًا للضوضاء. ويجب التعامل بحذر شديد مع احتمالية الانعكاسات والرنين الناتجة.

على سبيل المثال، يجب على مصمم لوحات الدوائر المطبوعة اتباع قواعد وإرشادات معينة عند العمل مع الإشارات الرقمية عالية السرعة جدًا في نطاق 10 جيجابت في الثانية أو نطاق الجيجاهرتز. يجب أن يكون لدى مصمم لوحات الدوائر المطبوعة نفس العقلية عندما تدخل دوائر الميكروويف والتردد اللاسلكي في التخطيط. نظرًا لأن التردد اللاسلكي أكثر حساسية بكثير مقارنة بالإشارات الرقمية عالية السرعة جدًا، يجب مضاعفة هذه العقلية عدة مرات ببساطة.

ثانيًا، مطابقة المعاوقة أمر بالغ الأهمية للتردد اللاسلكي. حتى الإشارات الرقمية عالية السرعة جدًا لها تفاوت معين. لكن كلما زاد التردد، قل التفاوت المسموح به في لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد اللاسلكي والميكروويف.

ثالثًا، يجب تقليل فقدان العودة. يحدث هذا الفقد بسبب الرنين أو انعكاس الإشارة. المسار المرتجع هو المسار الذي يسلكه تيار العودة.

تتخذ إشارة العودة مسارًا بأقل حث عند ترددات الميكروويف العالية جدًا. عند توفير هذا المسار، تُعد الأسطح الأرضية أسفل الإشارات جيدة. لذلك، يجب ألا يكون هناك أي انقطاع من المرسل إلى المستقبل في السطح الأرضي أسفل الإشارة. ومع ذلك، ستجد الإشارة طريقها إلى المرسل بطريقة ما إذا كان هناك قطع في السطح الأرضي أو لم يكن الأرض موجودًا أسفل ذلك الأثر. من خلال مسار آخر أو طبقات متعددة من لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، ستنتقل عبر مستويات الطاقة وستجد مسارًا للعودة. لكن هذا المسار ليس مثاليًا. نظرًا لأنه لن يكون إشارة مضبوطة المعاوقة، سيؤدي ذلك إلى حدوث رنين وانعكاس.

عند تصميم دوائر الميكروويف والترددات اللاسلكية (RF)، يجب على مصمم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أيضًا مراعاة عامل الحديث المتبادل. تصبح مشكلة كيفية التعامل معه ومع الحديث المتبادل أكثر أهمية مع زيادة كثافات اللوحة وأداء النظام. بسبب السعة التفرعية والحث المتبادل، فإن الحديث المتبادل هو نقل الطاقة بين الموصلات المتجاورة. على الخط المتضرر، يتم تراكب الطاقة المقترنة من الخط النشط.

يتكون الحديث المتبادل الأمامي في الإشارات المقترنة المتدفقة نحو المستقبل. يتكون الحديث المتبادل الخلفي في تلك التي تنتقل نحو المصدر. مجموع الاقتران السعوي والحثي هو الحديث المتبادل الخلفي بينما الفرق بينهما هو الحديث المتبادل الأمامي. في التصميمات عالية التردد، يعد الحديث المتبادل مشكلة رئيسية. وذلك لأنه يتناسب طرديًا مع معدلات حواف الخط النشط.

المسافة التي يعمل فيها الخطان بالتوازي مع بعضهما البعض وقرب الخطين من بعضهما هما عاملان آخران. وبالتالي، يجب توجيه الإشارات عالية السرعة بعيدًا عن بعضها قدر الإمكان. من الناحية المثالية، المسافة من المركز إلى المركز هي أربعة أضعاف عرض الأثر لهذه الإشارات.

يجب أيضًا الحفاظ على المسافة التي تحافظ عليها الخطوط التي تعمل بالتوازي مع بعضها البعض إلى الحد الأدنى. تشمل الحلول الأخرى تقليل الفصل العازل بين مستوى مرجعها والخط أو إدخال هيكل مستوٍ مشترك. يتم هنا إدخال سطح أرضي بين الآثار. يمكن أيضًا تقليل الحديث المتبادل بنسبة تصل إلى 50 بالمائة عن طريق إنهاء الخط على معاوقته المميزة.

التردد يتناسب عكسيًا مع الطول الموجي. يكون التردد أعلى إذا كان الطول الموجي أقصر. على سبيل المثال، يبلغ الطول الحرج حوالي 0.425 بوصة لتردد 1 جيجاهرتز على لوحة دوائر مطبوعة (PCB) قائمة على FR4 من نوع الشريط الصغري (Microstrip). لذلك، إذا كنت تقوم بتوجيه إشارة بتردد 1 جيجاهرتز، فإن طولها الإجمالي يزيد عن 425 ميلًا. يجب أن يكون هذا الأثر مضبوط المعاوقة. يعتمد الطول الحرج أيضًا على تقنيات خط النقل ومادة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

يحتاج المصمم إلى مراعاة خصائص الصفائح عند استخدام دوائر الترددات اللاسلكية (RF)، مثل قيمة ثابت العزل الكهربائي ومعامل التبديد وتغيره. مقارنة بالصفائح عالية التردد، فإن FR4 له معامل تبديد أعلى. يشير هذا إلى أن خسائر الإدخال أعلى بكثير عند استخدام FR4. ستزداد هذه الخسائر مع ارتفاع التردد وهي أيضًا دالة للتردد. ثانيًا، يمكن أن تختلف قيمة Dk لـ FR4 بنسبة تصل إلى 10٪. وهذا بدوره يغير المعاوقة. توجد خصائص تردد أكثر استقرارًا في الصفائح عالية التردد.

ثم هناك قيمة Dk نفسها. ترتبط قيمة Dk بحجم عناصر الدائرة عندما يتعلق الأمر بدوائر لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للميكروويف والترددات اللاسلكية (RF). لذلك، من خلال اختيار صفيحة ذات قيمة Dk أعلى، قد يتمكن المصمم من تقليل حجم الدائرة.