Hochfrequenz-PCB-Design: Faktoren, die die HF-Signalleistung beeinflussen
Mit dem Aufkommen der Internet-of-Things-Technologie werden elektronische Produkte immer häufiger mit drahtlosen Kommunikationsfunktionen ausgestattet, und die drahtlose Kommunikationstechnologie stützt sich auf die HF-Schaltung auf der Leiterplatte, um dies zu erreichen. Leider sind auch Leiterplattenentwickler für HF-Schaltungen oftmals unerschwinglich, da dies enorme Designherausforderungen mit sich bringt und professionelle Design- und Simulationsanalysewerkzeuge erfordert. Aus diesem Grund wurde der HF-Teil der Leiterplatte seit vielen Jahren von unabhängigen Designern mit HF-Design-Know-how entworfen.
Der Konstrukteur von HF-Schaltkreisen hat nach einer heftigen Operation 18 Kampfkünste verlassen, das unten stehende HF-Schaltkreislayout entworfen und das DXF-Format zum Kopieren in das PCB-Layout exportiert. Ist es nicht cool?
Nachdem das PCB-Design Siege Lion die Datei im DXF-Format der HF-Schaltung importiert hatte, stellte es fest, dass die Spur sowohl rechte Winkel als auch scharfe Ecken aufweist. Ich dachte mir, emmm, diese Radiofrequenz ist echtes Wasser, und das Gehalt ist höher als Arbeit und Kapital, so dass es nicht notwendig ist, scharfes Anfasen und Lichtbogenübergang zu vermeiden. Verstehen Sie das Routing des HF-Schaltungsteils und optimieren Sie es erneut
Ergebnis…
Um Missverständnisse in Zukunft zu vermeiden, riefen die Hochfrequenzbakterien die Layoutbakterien nach Beendigung der Arbeit heraus, schlossen die Tür und den Griff, um einige verwandte Punkte des Hochfrequenz-PCB-Designs zu steuern.
Wenn gemäß der Hochfrequenzschaltungstheorie die Wellenlänge des auf der Signalverbindungsleitung übertragenen Signals mit der geometrischen Größe des diskreten Schaltungselements verglichen werden kann, ist das Pad des Hochfrequenz-IC-Pins und die Übertragungsleitung des Hochfrequenzsignals eingeschaltet Die Leiterplatte, das hochfrequente passive Gerät, Durchkontaktierungen und sogar geerdetes Kupfer sind wichtige Faktoren, die die Leistung von HF-Signalen ernsthaft beeinträchtigen.
Die Mikrostreifenleitung ist eine ideale Wahl für die Hochfrequenzsignalübertragung auf Leiterplatten. Verwenden Sie ein Koaxialkabel oder eine Übertragungsleitung mit passender charakteristischer Impedanz, es sei denn, der Verbindungsabstand zwischen IC und Antenne ist sehr kurz. Auf der Leiterplatte ist es am besten, eine Mikrostreifenübertragungsleitung mit der in der folgenden Abbildung gezeigten Struktur zu verwenden.
Die Mikrostreifenübertragungsleitung enthält eine Metallspur mit fester Breite (Leiter) und einen Erdungsbereich direkt darunter (benachbarte Schicht). Beispielsweise erfordern Spuren auf Schicht 1 (oberes Metall) eine feste Grundfläche auf Schicht 2. Die Breite der Spur, die Dicke der dielektrischen Schicht und die Art des Dielektrikums bestimmen die charakteristische Impedanz (normalerweise 50 Ω oder 75 Ω).
Natürlich gibt es neben der Mikrostreifenleitung auch eine gemeinsame Übertragungsleitung, die Streifenleitung, wie in der folgenden Abbildung gezeigt
Die Streifenleitung enthält Spuren mit fester Breite auf der inneren Schicht und Erdungsbereiche darüber und darunter. Der Leiter kann sich in der Mitte des Bodenbereichs befinden oder einen bestimmten Versatz aufweisen. Diese Methode eignet sich für das innere Funkfrequenz-Routing.
Da die Streifenleitung auch für das HF-Routing geeignet ist, warum ist laut Lao Wu die Mikrostreifenleitung eine ideale Wahl für die Hochfrequenzsignalübertragung auf Leiterplatten?
Unabhängig davon, ob es sich um eine Mikrostreifenleitung oder eine Streifenleitung handelt, weisen beide eine hervorragende Leistung bei der Übertragung von Millimeterwellenfrequenzen auf, und der Unterschied liegt in den Herstellungskosten.
Im Vergleich zu Streifenleitungsschaltungen weisen Mikrostreifenschaltungen weniger Verarbeitungsschritte auf, und Schaltungskomponenten sind einfacher zu platzieren und daher einfacher herzustellen (niedrigere Herstellungskosten). Im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen können Streifenleitungen eine stärkere Isolation für benachbarte Schaltungsleitungen bieten und ein dichteres Komponentenlayout unterstützen. Darüber hinaus eignen sich Streifenleitungsschaltungen auch sehr gut zur Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten, und jede Schicht kann gut isoliert werden.
Die elektrischen Eigenschaften von Mikrostreifen- und Streifenleitungsleitern werden durch die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials und den Näheeffekt der Erdungsschicht beeinflusst. Die Mikrostreifenleitung hat nur eine Grundebene, während die Streifenleitung zwei Grundebenen hat. Bei einer Mikrostreifenleitung ist die effektive Dielektrizitätskonstante, die die Impedanz des Leiters beeinflusst, die Summe der relativen Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials und der Luft über dem Stromkreis (gleich 1). Die effektive Dielektrizitätskonstante der Streifenlinie ist die Summe der relativen Dielektrizitätskonstanten des oberen und unteren Substrats des Leiters.
Wie bei allen Hochfrequenzschaltungen ist es entscheidend, die Impedanz unter Kontrolle zu halten, um eine gleichbleibende elektrische Leistung bei Amplitude und Phasenantwort zu erzielen. Die Impedanz der Leiter der beiden Übertragungsleitungen ist unter anderem eine Funktion der Breite des Leiters, der Dicke des Leiters, der Dicke des isolierenden Substrats und der relativen Permittivität oder Dielektrizitätskonstante des Substrats. Bei Streifenleitungen spielt es keine Rolle, ob der Abstand zwischen dem Mittelleiter und den beiden Masseebenen gleich ist oder ob die Dielektrizitätskonstanten der Isolatoren über und unter dem Leiter gleich sind (dies gilt auch für Mikrostreifenleitungen).
Die Streifenleitung hat zwei Masseebenen, so dass die 50 Ω-Leitung (oder eine beliebige Impedanzleitung) der Streifenleitung dünner ist als der Leiter mit der gleichen Impedanz der Mikrostreifenleitung. Obwohl dünnere Drähte eine größere Schaltungsdichte unterstützen, erfordern dünnere Drähte auch engere Herstellungstoleranzen, und die Dielektrizitätskonstante des gesamten Schaltungssubstrats muss sehr konstant sein. Der dielektrische Verlust der einseitigen (unsymmetrischen) Übertragungsleitung der Mikrostreifenleitung (definiert durch den Verlustfaktor des Substrats) ist geringer als der der Streifenleitung. Dies liegt daran, dass einige Feldlinien der Mikrostreifenleitung in der Luft liegen und der Verlustfaktor ignoriert werden kann.
Natürlich ist die Leistung dieser beiden Übertragungsleitungen tatsächlich fast dieselbe wie die Leistung des Trägers, der bei ihrer Herstellung verwendet wird - des isolierenden Substrats. Ebenso können die verwendeten Leiterplattenmaterialien wie FR-4 die Kosten senken, aber gleichzeitig die Leistung einschränken. Je nach Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungsanwendungen spielt die Auswahl des am besten geeigneten Materials die Rolle dieser beiden Übertragungsleitungen besser. Vorteil.
Wie bei vielen technischen Entscheidungen wird die Wahl des Mikrostreifens oder der Streifenleitung abgewogen. Beispielsweise haben Streifenleitungsschaltungen eine hohe Schaltungsdichte. Daher erfordern sie unter den gleichen Frequenzbedingungen mehr Materialschichten, mehr Verarbeitungszeit und -kosten und mehr Aufmerksamkeit für die Detailverarbeitung als Mikrostreifenschaltungen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungen gibt es eine andere Art von Hochfrequenzübertragungsleitung, bei der es sich um einen geerdeten koplanaren Wellenleiter handelt, der eine bessere Isolation zwischen benachbarten Hochfrequenzleitungen und anderen Signalleitungen bietet. Dieses Medium umfasst den Mittelleiter und den Erdungsbereich auf beiden Seiten und darunter, wie unten gezeigt:
Es wird empfohlen, über "Zäune" auf beiden Seiten des geerdeten koplanaren Wellenleiters zu installieren, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Diese Draufsicht bietet ein Beispiel für die Installation einer Reihe von Erdungsdurchkontaktierungen im oberen Metallerdungsbereich auf jeder Seite des Zwischenleiters. Der auf der obersten Schicht verursachte Schleifenstrom wird mit der darunter liegenden Masseebene kurzgeschlossen.
Im Vergleich zur Mikrostreifenleitung weist der geerdete koplanare Wellenleiter nicht nur eine Erdungsebene auf der Unterseite des Mediums auf, sondern auch Erdungsebenen auf beiden Seiten der Signalübertragungsleitung auf der Oberseite des Mediums, sodass er eine größere Erdung aufweist Bereich. Der koplanare Wellenleiter erreicht die Stabilität der elektrischen Leistung, indem die Masseebene verwendet wird, um die Signalleitung zu umgeben.
Die Übertragungsmodi der Mikrostreifenleitung und der geerdeten koplanaren Wellenleiterschaltung sind beide quasi-transversale elektromagnetische Modi (Quasi-TEM). Aufgrund der verbesserten Erdungsstruktur der geerdeten koplanaren Wellenleiterschaltung ist ihre Bearbeitung bis zu einem gewissen Grad komplizierter. Im Vergleich zur Mikrostreifenleitung weist die geerdete koplanare Wellenleiterschaltung die Eigenschaften einer geringen Dispersion auf. Wenn die Frequenz auf das Millimeterwellenband ansteigt, hat die geerdete koplanare Wellenleiterschaltung einen geringeren Strahlungsverlust als die Mikrostreifenleitungsschaltung.
Aufgrund der verbesserten Erdungsstruktur hat die geerdete koplanare Wellenleiterschaltung eine größere effektive Bandbreite und einen größeren Impedanzbereich als die Mikrostreifenschaltung. Die Mikrostreifenschaltungsstruktur ist jedoch relativ robust und ihre einfache untere Erdungsschaltungsstruktur ist leicht zu verarbeiten. Darüber hinaus ist die Leistung der Mikrostreifenschaltung nicht empfindlich gegenüber Schaltungsverarbeitungsfaktoren, und ihre Schaltungsleistung wird weniger durch den Unterschied beim Leiter- / Spaltätzen und den Unterschied in der Leiterdicke beeinflusst.
Die scharfen Biegungen im HF-Schaltungslayout sind speziell für die Kompensation von Übertragungsleitungsbiegungen ausgelegt.
Wenn die Übertragungsleitung aufgrund von Verdrahtungsbeschränkungen gebogen werden muss (Richtungsänderung), sollte der verwendete Biegeradius mindestens das Dreifache der Breite des Zwischenleiters betragen. Mit anderen Worten:
Biegeradius ≥ 3 × (Linienbreite).
Dies minimiert die charakteristische Impedanzänderung der Ecke.
Wenn es nicht möglich ist, eine allmähliche Biegung zu erreichen, kann die Übertragungsleitung im rechten Winkel (nicht gekrümmt) gebogen werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Dies muss jedoch kompensiert werden, um die plötzliche Änderung der Impedanz zu verringern, die durch die Zunahme der lokalen effektiven Linienbreite beim Durchlaufen des Biegepunkts verursacht wird.
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