Opanowanie obwodów drukowanych RF i mikrofalowych: Kompleksowy przewodnik dla inżynierów

Słowa kluczowe: RF PCB

RF obwody drukowane stają się interesującym, szybko rozwijającym się segmentem niszowym w przemyśle produkcji płytek drukowanych. Są one również niezwykle zróżnicowane i łatwo jest zgubić się na kilka godzin, próbując zdecydować, którą opcję rozszerzonej rzeczywistości wybrać. Inżynierowie chętnie omawiają decyzje dotyczące każdej fazy produkcji/zestawu PCB, ograniczenia, pułapki i możliwości w procesie budowania Twojego RF obwodu drukowanego.

Czym jest płytka obwodów RF?

Według standardów branży PCB, płytka obwodów RF definiowana jest jako każda wysokoczęstotliwościowa płytka drukowana pracująca powyżej 100 MHz.

Dla klasy częstotliwości radiowej, gdzie szybkość przekracza 2 GHz, mówimy o płytce mikrofalowej PCB.

Czym jest mikrofalowa płytka PCB?

Podstawowa różnica między płytkami obwodów RF a mikrofalowymi płytkami PCB leży w częstotliwości radiowej, w której funkcjonują. Mikrofalowe płytki PCB to każda płytka obwodów RF pracująca powyżej 2 GHz. Płytki obwodów RF i mikrofalowe płytki PCB są szeroko stosowane w sygnałach komunikacyjnych w każdym systemie wymagającym odbioru i nadawania sygnałów radiowych.

Mikrofalowa płytka drukowana i obwody częstotliwości radiowej:

Typowe trudności i ich rozwiązania

Na przykład płytki obwodów RF i mikrofalowe płytki PCB są znacznie trudniejsze do zaprojektowania niż normalny układ płytek drukowanych. Wynika to z synonimicznych problemów, które mogą wystąpić przy odbiorze lub nadawaniu sygnałów radiowych. Kilka z najważniejszych kwestii to sprawy wrażliwości na szumy i węższych tolerancji impedancji.

Sygnały radiowe i mikrofalowe są znacznie bardziej wrażliwe na szumy niż zwykłe płytki drukowane, a jednocześnie mają znacznie surowsze tolerancje dla impedancji. Co więcej, te problemy można rozwiązać za pomocą planów masy i zastosowania generycznego promienia gięcia na śladach o kontrolowanej impedancji. Te rozwiązania ostatecznie pomogą płytce RF/Mikrofalowej PCB osiągnąć jej najlepszą wydajność.

Zastosowania płytek RF

Płytki RF mają bardzo wszechstronne perspektywy zastosowania w takich dziedzinach jak technologie bezprzewodowe, komunikacja, smartfony, czujniki, robotyka i bezpieczeństwo. Płytki RF są obecnie poszukiwane, zwłaszcza że w dzisiejszej elektronice pojawiają się nowe innowacje, aby sprostać i zaspokoić potrzeby klientów.

Wybór wykwalifikowanego producenta RF obwodów drukowanych jest ważny, aby zapewnić, że płytki są wytwarzane zgodnie z dokładnymi specyfikacjami i we właściwym czasie. Mówiąc o reputacji naszej firmy – jest ona praktycznie nieskazitelna. Firma szczyci się faktem, że jesteśmy w stanie zapewnić układ dla niektórych z najtrudniejszych obecnie koncepcji.

MATERIAŁY RF WEDŁUG ZASTOSOWANIA

Jesteśmy również w stanie pomóc w każdym aspekcie kosztów płytki, aż po rekomendacje produkcyjne dla smukłej, pięćdziesięciowarstwowej płytki.

Produkcja RF obwodu drukowanego nie jest wcale łatwa, ale w tym procesie nie ma żadnej magii.

W tym celu, oto kilka czynników, które inżynierowie muszą wziąć pod uwagę, jeśli mają podjąć się projektu produkcji RF:

Chociaż parametry takie jak stała dielektryczna można uważać za stałe liczby dla większości zastosowań poza RF, są one znacznie bardziej zmienne w tych silnych zakresach częstotliwości.

Zarządzanie ciepłem wewnątrz płytki jest ważne ze względu na ekstremalne obciążenia termiczne, jakie zestaw PCB nakłada na płytkę. Podczas operacji wiercenia, przewodność cieplna lub charakterystyka oporu materiału ma kluczowe znaczenie dla orientacji warstw w wielowarstwowych stosach.

Odległości między elementami będą również kluczowe, ponieważ płytki RF mogą być bardzo wrażliwe i zakłócać sąsiednie elementy.

Określenie właściwego materiału do użycia w zależności od zamierzonego zastosowania i kosztu jest zatem ważne, ponieważ większość pozostałych wyzwań będzie wynikać z tej decyzji.

Przy doborze materiałów dla płytek PCB RF zawsze należy uwzględnić pewne kluczowe właściwości.

Wybór właściwego materiału może zrekompensować cały proces wytwarzania płytki RF, ponieważ jest to prawdopodobnie najważniejsza podjęta decyzja.

Stała dielektryczna, charakterystyka dynamiczna

Stała dielektryczna materiału definiowana jest jako stosunek energii zmagazynowanej w materiale umieszczonym w polu elektrycznym do energii zmagazynowanej w próżni przy tej samej sile pola.

Zależy ona od kierunku, dlatego ta stała dielektryczna różni się w zależności od osi materiału.

Pierwsza z nich jest mierzona przy użyciu współczynnika rozszerzalności cieplnej.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) jest miarą tego, jak zmienia się rozmiar elementu przy danej zmianie temperatury. Jest to także metoda ilościowego określania odporności termicznej. Odgrywa on główną rolę w procesie wiercenia i montażu podczas produkcji PCB.

Podobnie jak w stosie wielowarstwowym, materiały elektroniczne, które mogą mieć różne wartości CTE, będą zmieniać swój kształt w różny sposób. Problem wyrównania staje się bardzo istotny podczas procesu wiercenia, gdy warstwa nadrzędna rozszerza się szybciej niż warstwa podrzędna.

PTFE, będący jednym z najwyższej jakości materiałów RF stosowanych powszechnie, może się rozmazywać podczas wiercenia, jeśli się nagrzeje, i tego nie da się usunąć. W fazie integracji funkcjonalnej, gdy komponenty są lutowane, CTE określa, jak materiał poradzi sobie z naprężeniami rozszerzalności cieplnej podczas lutowania. Słaby CTE może prowadzić do pęknięcia płytki na końcowym etapie, co jest bardzo kosztowne dla firmy.

Aby rozwiązać te problemy, materiał o niższym CTE będzie bardziej wytrzymały pod względem wiercenia i montażu.

Tangens strat

Tangens strat, podobnie jak dynamiczna stała dielektryczna, jest jednym z tych trudnych efektów, które pojawiają się w RF, ale nie są szczególnie szkodliwe w projektach na niższych częstotliwościach. Jest to wynik struktury molekularnej materiału, "tkaniny" właściwego elementu.

W rezultacie sygnał jest rozpraszany, pochłaniany i zamieniany w ciepło wraz ze wzrostem częstotliwości. Dość istotnym punktem jest to, że w obwodzie analogowym występuje strata amplitudy.

Podczas gdy w złożonych, wielowarstwowych płytkach komponenty mogą być dość zwarte, dodatkowe ciepło wytwarzane podczas pracy jest czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę.

Odstępy

Jeśli chodzi o czystość sygnału, odstępy mogą stanowić pewien problem w zastosowaniach RF ze względu na przesłuchy i tak zwany efekt naskórkowy.

Przesłuchy to sytuacja, w której ścieżki na płytce zaczynają ze sobą oddziaływać, na przykład sygnały są sprzężone lub zakłócają pobliskie elementy, powodując niepożądane sprzężenie. Efekt naskórkowy to sytuacja, w której rezystancja ścieżki zaczyna rosnąć, prowadząc do strat rezystancyjnych, które wytwarzają ciepło w obwodzie. Jest proporcjonalny do czynników takich jak szerokość i długość ścieżki, a problem nasila się wraz ze wzrostem częstotliwości.

Minimalne bezpieczne odległości różnią się na różne sposoby. Jeśli potrzebujesz odpowiedzi na jakiekolwiek pytania dotyczące minimalnych odstępów lub innych wytycznych projektowania PCB RF, skontaktuj się z SFC już dziś.

Chłonność wilgoci

Kolejnym czynnikiem do rozważenia jest kontekst, w którym będzie pracować Twoje urządzenie. Jeśli płytka trafi do laboratorium ze środowiskiem kontrolowanym pod względem powietrza, chłonność wilgoci tego materiału może nie być dla Ciebie istotna. Jednak jeśli płytka ma być zainstalowana na zewnątrz, w deszczowym klimacie lub może być na krótkie okresy narażona na kontakt z wodą bez wcześniejszego planowania, to wchłanianie wilgoci zyskuje na znaczeniu.

Koszt a wydajność

Niektóre rodzaje materiałów posiadają niezwykłe właściwości. Zaproponowane przez nie stałe dielektryczne i współczynniki rozszerzalności cieplnej zostały specjalnie zaprojektowane, aby dopasować się do Twojej aplikacji. Niestety, takie materiały są zazwyczaj kosztowne. Jednakże znalezienie dobrej równowagi między kosztem, wydajnością elektryczną i właściwościami termicznymi stanowi wyzwanie; ale z pewnością nie jest nieosiągalne.