Design von HF-Leiterplatten

5 Tipps für das Design von HF-Leiterplatten

Das Design der HF-Leiterplatte umfasst eine Vielzahl von Richtlinien, die je nach Art der Anwendung variieren. Ingenieure müssen sich dieser Richtlinien bewusst sein und sicherstellen, dass ihr Design alle Anforderungen erfüllt. Hier sehen wir uns die 5 wichtigsten Regeln an, wenn Sie eine Hochfrequenzplatine erfolgreich entwerfen möchten.

1. RF-Impedanzanpassung

Impedance Matching ist ein wichtiges Konzept für das Design von HF-Leiterplatten. Es stellt sicher, dass die Signale korrekt zwischen den Komponenten übertragen werden. Dies beinhaltet das Einstellen der charakteristischen Impedanz einer Schaltung, so dass Signale mit minimalen Reflexionen und Verlusten effizient übertragen werden.

Diese Eigenschaften werden wiederum durch die Komponenten und ihre Platzierung wie das dielektrische Material und seine Dicke, Spurenbreiten, Platzierung der Komponenten usw. bestimmt. Die Ingenieure müssen daher sicherstellen, dass diese Parameter bei der Erstellung ihrer HF-Leiterplatten-Layoutdesigns korrekt eingestellt sind.

2. HF-Bodenflugzeuge

Eine Grundebene ist eine feste Metallschicht in der Leiterplatte. Es hilft, Störungen oder Geräusche zu reduzieren und die Signalintegrität zu verbessern, indem es eine gering auffällige Verbindung zum Boden herstellt. Mit anderen Worten, es bietet einen Rückgabepfad für Signalströme.

Vor diesem Hintergrund wirken HF-Bodenebenen als Abschirmung gegen EMI. Dies trägt wiederum dazu bei, Geräusche zu reduzieren und die Leistung zu verbessern, indem verhindert wird, dass HF-Signale ausstrahlen oder an andere Komponenten gekoppelt werden. Dies ist ein entscheidender Aspekt des HF-Leiterplatten-Designs, da dadurch sichergestellt wird, dass die Signale sauber und störungsfrei sind.

3. HF-Leiterplattenstau

Der HF-Leiterplattenstapel ist die Anordnung mehrerer Schichten in einer Hochfrequenzplatine. Es umfasst die Kern-, Spuren-, Leistungs- und Bodenschichten, die den Schaltungspfad zur Übertragung von Signalen bilden.

Beim HF-PCB-Design ist es wichtig, dass die HF- und Nicht-RF-Schichten nur minimal gestört werden. In einem einfachen Stapel besteht eine gute Praxis beispielsweise darin, HF-Komponenten auf der obersten Schicht zu platzieren und andere Komponenten unten von HF-Schichten fernzuhalten.

Die Grundebene sollte auch direkt unter der HF-Schicht platziert werden, um einen Bodenweg mit geringer Impedanz bereitzustellen. Bei mehrschichtigen HF-Schalttafeln sollte der Stapel so ausgelegt sein, dass die gewünschten elektrischen Eigenschaften wie die Reduzierung der Übersprechen erhalten bleiben.

4. HF-Spurdesign

HF-Leiterplattenspuren übertragen Signale von einer Komponente zur anderen. Das macht sie sehr anfällig für Störungen und Übersprechen, was zu Signalverzerrungen führen kann.

Daher ist ihr Design von größter Bedeutung. Die Spurenbreite und der Abstand müssen in Bezug auf die Signalfrequenz, das dielektrisches Material und andere Parameter berechnet werden.

Während der Entwurfsschritte für HF-Leiterplatten sollten die Spuren so kurz wie möglich gemacht werden, da sonst Signalverluste und Reflexionen auftreten. Vermeiden Sie auch die Verwendung von Testpunkten auf der Spurenlänge, da dies die Verluste erhöhen kann. Platzieren Sie HF und normale Spuren auch nicht parallel: Dies führt zu Störungen.

5. HF-Leiterplatte Via

Einer der wichtigsten Aspekte des HF-Leiterplatten-Designs ist die Platzierung. Für eine optimale Leistung sind Vias in HF-Schalttafeln zu vermeiden oder geschickt einzusetzen. Sie führen parasitäre Kapazitäten ein, die zu Störungen führen können.

Wenn aufgrund der Konstruktionsanforderungen Vias erforderlich sind, muss deren Design optimiert werden, um die Auswirkungen auf die Signalintegrität zu minimieren. Dies schließt ihre Tiefe und ihren Durchmesser ein.

Eine der wichtigsten Regeln für das Hochfrequenz-PCB-Design ist beispielsweise die Verwendung von Nähvias zum Verbinden von Grundebenen. Dies hilft, die Impedanz zu senken, indem kürzere Rücklaufpfade bereitgestellt werden.

 

7 Faktoren, die das HF-Leiterplattendesign beeinflussen

Ein HF-Leiterplatten-Design unterscheidet sich etwas von einem herkömmlichen Board. Was es auszeichnet, sind Parameter wie Impedanzanpassung, Art der Spuren (, vorzugsweise Co-Planar ), Eliminierung über Stubs (, um Reflexion ), Grundebene, Vias und Entkopplung der Stromversorgung zu vermeiden. Andere Aspekte wie Stapel-up und Materialauswahl spielen in diesen Boards ebenfalls eine entscheidende Rolle.

Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren nimmt die Komplexität eines HF-Entwurfsprozesses aufgrund von Elementen wie EMI-Interferenz, Hochfrequenz-Signalkanalisierung usw. zu.

IMPEDANZANPASSUNG

In einem HF-Kreislauf mit kontrollierter Impedanz tritt eine maximale Leistungsübertragung ohne Verzerrung von Quelle zu Last auf, wenn die Impedanz während der gesamten Spur gleich bleibt. Diese Impedanz ist als charakteristische Impedanz der Spur ( Z0 ) bekannt. Die charakteristische Impedanz hängt von der Geometrie der Spuren ab, wie z. B. der Spurenbreite, der dielektrischen Konstante des Leiterplattenmaterials, der Spurendicke und der Höhe aus der Referenzerdebene. Um diesen Impedanzen zu entsprechen, werden auch passende Schaltkreise entwickelt.

HOCHFREQUENZ-PLATTENMATERIALIEN

HF-Leiterplatten werden aus bestimmten Materialien hergestellt, die die Anforderungen an den Hochfrequenzbetrieb erfüllen. Diese Materialien sollten geringe Signalverluste aufweisen, über Hochfrequenzbetrieb stabil sein und hohe Wärmemengen aufnehmen können. Die dielektrische Konstante ( D.K.), Verlusttangente ( tan δ ) und Wärmeausdehnungskoeffizient ( CTE ) -Werte erfordern ebenfalls Konsistenz über breite Frequenzbereiche. Typische Werte des dielektrischen Konstantbereichs von 3 bis 3,5 für diese Bretter. Verlusttangentenwerte liegen im Bereich von 0,0022 bis 0,0095 für den Frequenzbereich von 10-30 GHz.

üblicherweise werden Materialien verwendet, die aus Polytetrafluorethylen ( PTFE ), Keramik und Kohlenwasserstoffen bestehen, die miteinander oder mit einer Glasform gemischt sind. Rogers-Material ist eine übliche Wahl für HF-Stromplatinen. Es gibt verschiedene Varianten von Rogers-Material. Einige von ihnen sind unten aufgeführt:

• RT / Schilddrüse
• RO3000
• RO4000
• Rogers TMM

HF-LEITERPLATTEN-STAPEL

Das Stapeln von Hochfrequenzplatinen erfordert die Beachtung von Details wie Isolierung zwischen Spuren und Komponenten, Entkopplung der Stromversorgung, Anzahl der Schichten und Anordnung, Platzierung von Komponenten usw. Ein Standard-4-Schicht-HF-Stapel ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Hochfrequenzkomponenten und -spuren werden auf der oberen Schicht platziert. Auf diese Schicht folgen unmittelbar eine Grundebene und eine Kraftebene. Alle Nicht-RF-Komponenten und -Spuren werden auf der unteren Ebene ausgefüllt. Diese Anordnung bietet minimale Interferenzen zwischen HF- und Nicht-RF-Komponenten. Die unmittelbare Grundebene bietet einen minimalen Pfad für den Bodenrücklaufstrom. All-in-All ist dies also ein Stapel, der für eine kleine Hochfrequenzplatine geeignet ist.

HF-SPURDESIGN

HF-Spuren verbreiten Hochfrequenzsignale und sind daher Übertragungsverlusten und Interferenzproblemen ausgesetzt. Die charakteristische Impedanz dieser Spuren ist ein Hauptanliegen der Designer. In Hochfrequenzbrettern werden die Spuren als Übertragungsleitungen angesehen. Die am häufigsten entwickelten Arten von Übertragungsleitungen sind Coplanar-Wellenleiter ( CPWG ), Mikrostreifen und Streifenleitung. Nachfolgend finden Sie die Aspekte des Funkfrequenz-Spurdesigns, die den ordnungsgemäßen Betrieb und minimale Verluste bestimmen:

• Die Länge der Spur sollte so kurz wie möglich sein. Dies hilft, die Dämpfung zu verringern.
• Platzieren Sie im Layout niemals eine HF-Spur und eine normale Spur parallel zueinander. Wenn es so platziert wird, tritt eine Störung zwischen den beiden auf.
• Bodenflugzeuge sind erforderlich, um Rückwege für Signale bereitzustellen.
• Die Testpunkte dürfen nicht auf die Spuren gelegt werden. Es unterbricht die Impedanzanpassungswerte der Spur.

Anstatt scharfe Rechtskurven beizubehalten, sind allmählich gekrümmte Biegungen besser für Spuren.

In Fällen, in denen Vergleich von Rechtsbiegungen und gekrümmten Biegungen Rechtsbiegungen unvermeidbar sind, wird ein Prozess namens Messung verwendet, um die negativen Auswirkungen zu verringern. Die Messung einer Spur ist unten gezeigt:

Hier wird M durch die folgende Formel gegeben:

DESIGN VON BODENFLUGZEUGEN

Jede Hochfrequenzspur oder Komponente benötigt einen Rücklaufpfad für den durch sie sich ausbreitenden Strom. Ein Grundebene kümmert sich darum. Die Bodenebenen benötigen jedoch einige zusätzliche Konstruktionsüberlegungen. Schauen wir uns diese an.

• Für jede HF-Schicht sollte eine spezielle Grundebene vorhanden sein. Diese Grundebene wird unmittelbar unter der Schicht platziert, um den aktuellen Strömungsweg am kürzesten zu machen.
  
  

• Die Grundebene sollte durchgehend sein. Es sind keine Pausen erlaubt. Solche Pausen könnten den Weg für kürzere Wege für die Rückkehr der Strömung ebnen.
• Für jede Shunt-Komponente, die in einer HF-Übertragungsleitung platziert ist, sind mindestens zwei Erdungsvias erforderlich.

 

ÜBER DESIGN

Voreingenommenheit bei HF sollten Spuren so weit wie möglich vermieden werden. Wenn diese jedoch nicht vermieden werden können, müssen die spezifischen Durchmesser und die Länge eingehalten werden. A induziert parasitäre Kapazität in einer Leiterplatte. Bei Hochfrequenzbrettern wirkt sich diese Kapazität auf den Hochfrequenzbetrieb aus. Um Störungen bei diesen Frequenzen zu verringern, ist es daher wichtig, Vias unter Berücksichtigung der folgenden Richtlinien zu entwerfen:

• Um die parasitäre Kapazität zu verringern, führen Sie parallelere Vias ein.
• Für jeden der Stifte oder Pads einer Komponente muss ein dediziertes Via vorhanden sein.
• Implementieren Sie die Grundebene gegebenenfalls durch Nähen. Dies schafft einen kürzeren Bodenrücklaufweg für die Strömung.
• Reduzieren Sie das Routing von HF-Spuren von einer Schicht zur anderen durch Vias.
• Verwenden Sie die maximale Anzahl von Vias zwischen der obersten Ebene der Grundebene und der inneren Schichtebene, wie dies bei der Konstruktion zulässig ist. Diese Vias sollten in einem Abstand von nicht mehr als 1/20 der Signalwellenlänge platziert werden.
  

 

ENTKOPPLUNG DES NETZTEILS

Die Geräuschreduzierung ist bei Hochfrequenzbrettern äußerst wichtig. Bei hohen Betriebsfrequenzen werden diese Karten sehr empfindlich gegenüber den Auswirkungen von Rauschen. Daher werden alle möglichen Methoden zur Lärmentfernung eingesetzt. Eine solche Methode wird als Entkopplung der Stromversorgung bezeichnet.

Auswahl der Entkopplungskondensatoren

Geräusche, die über die Stromversorgung in den Stromkreis befördert werden, werden mit diesem Verfahren gefiltert. Die dafür vorgesehenen Kondensatoren werden als Entkopplungskondensatoren bezeichnet. Diese Kondensatoren sind über die Stromversorgung angeschlossen.

Impedance Matching ist ein integraler Bestandteil jeder HF-Schaltung. Daher sollte sich nach dem Anschluss von Entkopplungskondensatoren die Impedanz des gesamten Stromkreises nicht ändern. Halten Sie sich an die folgenden Konstruktionsüberlegungen, um eine Änderung der Impedanz zu vermeiden:

• Schließen Sie Kondensatoren immer mit minimaler Impedanz zum Entkoppeln an.
• Betreiben Sie die Kondensatoren mit der selbstresonanten Frequenz ( SRF ), um eine minimale Impedanz zu erzielen. Der SRF-Wert eines Kondensators ist umgekehrt proportional zu seinem Kapazitätswert.
• Wählen Sie Kondensatoren, deren SRF nahe an der Rauschfrequenz liegt.

 

Platzierung von Entkopplungskondensatoren

Die Platzierung von Entkopplungskondensatoren ist auch ein wichtiger Bestandteil des richtigen HF-Designs. Unten ist eine einfache Schaltung dargestellt, die zwei Entkopplungskondensatoren zeigt, die parallel zu einer IC-Komponente angeordnet sind.

Der höhere Kondensator soll das Niederfrequenzgeräusch im System filtern und die Energie speichern. Das Hochfrequenzgeräusch wird vom unteren Kondensator herausgefiltert. Weitere Richtlinien für die Platzierung sind:

• Die Entkopplungskondensatoren sind auf derselben Schicht wie die Komponenten anzubringen.
• Platzieren Sie die Kondensatoren parallel zum Signalflussweg.
• Halten Sie für jeden Kondensator individuelle Bodenvias.
• Die Kondensatoren sollten in aufsteigender Reihenfolge ihrer Kapazität aus der Versorgung platziert werden. Das heißt, derjenige mit der niedrigsten Kapazität kommt der Stromversorgung am nächsten.