Leiterplattentechnisch - Herstellung von schnellen Umsätzen PCB für HF-Komponenten

Verwendung kostengünstiger PCB (Leiterplatte), it is easy to design a circuit board with almost any CAD software (even free software) in a few hours. Es dauert nur zwei Tage, um das Prototypboard auf Ihrem Schreibtisch fertigzustellen. Viele Softwarepakete haben gute Designregeln. Die meisten PCB Hersteller können Linienbreite und Linienabstand so niedrig wie 0 produzieren.006 Zoll.

Diese Genauigkeit hat kein Problem mit niederfrequenten Schaltungen, aber HF-Schaltungen benötigen im Allgemeinen 50 Ω Verdrahtung, um normal zu arbeiten. Das Volumen der Teile wird immer kleiner, aber die Gesetze der Physik werden sich nicht ändern. Daher ist eine Microstrip-Linie auf einem 0,062 Zoll dicken Prototyp Board heute 0,11 Zoll breit, verglichen mit 0,11 Zoll vor 30 Jahren. Viele SMT-Komponenten (Surface Assembly Technology) sind jedoch wesentlich kleiner als ihre Vorgängergeneration. Daher scheint die kostengünstige beidseitige Platine für HF-Prototypen für heutige kleine SMT-Bauteile nicht geeignet zu sein.

Mit einer cpwg-Struktur (geerdeter coplanarer Wellenleiter) kann 50 Ω HF-Verdrahtung auf Leiterplatte hergestellt werden. Cpwg-Struktur kann das erforderliche Routing erzeugen, und seine Breite ist kleiner als die der Mikrostreifenstruktur.

Eine geerdete Kupferfolie auf der Oberseite befindet sich in der Nähe einer Microstrip-Linie, die die Kapazität der Microstrip-Struktur erhöht. Um die gesamte Struktur auf 50 Ω auszugleichen und zu halten, muss die zentrale Verdrahtungsbreite auf einen bestimmten Punkt reduziert werden, damit sie eine höhere Induktivität hat.

Wie kann man cpwg-Struktur mit niedrigen Kosten und schnellem PCB-Prozess entwerfen? Viele cpwg Rechner sind im Internet zu finden, aber wenn der Schichtabstand kleiner als 30% der Routingbreite ist? Bei 50%, werden diese Rechner ausfallen, weil die Höhe der Kupferfolienführung auf der Leiterplatte ein wesentlicher Faktor wird. Es fügt mehr Kapazität hinzu, als der Rechner annimmt. Daher hat das von diesen Rechnern entworfene Routing eine zu hohe Kapazität und reduziert seine Impedanz auf weniger als 50 Ω. Diese Formeln lassen sich auf das IC-Design vor vielen Jahren zurückverfolgen.

Die Formeln in vielen Rechnern können nicht mehr verwendet werden, denn heute PCB unterscheidet sich wesentlich von IC. Der beste Weg, um eine Cpwg mit einem engen Abstand Mittellinienverhältnis auf einem PCB ist, einen dreidimensionalen elektromagnetischen Simulator zu verwenden. Dieses Beispiel liefert Werte für einige gängige Strukturen.

Mit einem minimalen Routing-Abstand von 6 Millionen simulierte, fertigte und testete ich eine cpwg-Struktur. Für das übliche 0,062 Zoll dicke FR-4 LeiterplattenMaterial ist eine Verdrahtung mit einer Breite von 0,032 Zoll und einem Abstand von 0,006 Zoll am nächsten an 50 Ω. Bei 6 GHz ist der Rückfluss der Routingleitung besser als 40 dB.

Dieses Schema ist besser als die Methode der 0,11 Zoll breiten Verdrahtung und ist mit SMT-Komponenten kompatibel. SMT-Komponenten der Größe 0603 und gängige SMA (Surface Mount Assembly) Boardrandverbinder können perfekt zu diesem Draht passen. Abbildung 1 vergleicht eine Vielzahl gängiger HF-Komponenten mit einer vorbereiteten Leiterplatte. Für Teile mit Pad-Größe größer als 0,032 Zoll-Fräsbreite, kann es durch Vergrößerung des Spalts vom oberen Plattenboden ausgeglichen werden. Zum Beispiel kann die Erhöhung der oberen Freifläche von einem 0805 SMT Pad auf etwa 0,008 Zoll und einem 1206 SMT Element Pad auf 0,012 Zoll eine übermäßige Pad Kapazität verhindern.

Um die allgemeinen Designregeln einzuhalten, zog ich die Kupferfolie 0,01 Zoll von der Kante der verlegten Leiterplatte auf der Testplatine zurück. Diese rückziehbaren und an der Platine montierten Steckverbinder verleihen der Umwandlung jedoch eine geringe Induktivität. Der dicke Stift in der Mitte des Leiterplattenseitigen Steckers am Ende der Verkabelung fügt zusätzliche Kapazität hinzu, um eine eingebaute Kapazitätskompensation zu gewährleisten. Durch Kürzen des Stifts auf etwa die Hälfte seiner ursprünglichen Länge kann ungefähr äquivalente Kapazität erhalten werden, um die Umwandlungsinduktivität auszugleichen.

Die Cpwg-Struktur erfordert eine feste Bodenebene unter dem Routing; Das Verlassen einer Öffnung im Erdgeschoss unterhalb der obersten Schicht Verdrahtung fügt der Struktur eine große Induktivität hinzu und reduziert die Hochfrequenzleistung. Darüber hinaus müssen einige Vias verwendet werden, um den oberen und den unteren Boden zu "sticken". Die Platzierung solcher genähten Durchkontaktierungen darf ein Achtel der höchsten Frequenzwellenlänge des Schaltkreises nicht überschreiten. Beachten Sie, dass 0,1 Zoll Abstand gut funktioniert bei Frequenzen über 10 GHz.

Der Abstand zwischen den genähten Vias zur Mittellinie folgt den gleichen Abstandsregeln. Ausreichend Durchkontaktierungen für den normalen Betrieb können einfach auf der Routinglinie angeordnet werden.

Wenn es nicht genügend Durchkontaktierungen gibt, wird ein kleiner, aber schneller 0,5dB bis 1dB Abfall in den Übertragungseigenschaften von S21 gesehen, anstatt eine lineare Verlustneigung mit Frequenz. Dieser Effekt ist sofort mit einem VNA (Vektor Network Analyzer) zu erkennen. Die Messung der Testplatine zeigt, dass der Verlust etwa 0,25 dB in bei 3 GHz und 1 dB in bei 10 GHz liegt, einschließlich zwei Board Edge Connectors.

Wenn Sie SMT-Geräte oder IC mit Pads schmaler als 0,032 Zoll anschließen möchten, engen Sie den Mittelleiter nach Bedarf und so nah wie möglich am Gerät ein. Wenn die tatsächliche Diskontinuität klein ist, kann ihre Wirkung ignoriert werden, wenn die Frequenz nicht sehr hoch ist.