PCB Tecnico - Realizzazione di PCB a rotazione rapida per componenti RF

Utilizzando PCB a basso costo (circuito stampato), è facile progettare un circuito stampato con quasi qualsiasi software CAD (anche software libero) in poche ore. Ci vogliono solo due giorni per completare la scheda prototipo sulla tua scrivania. Molti pacchetti software hanno buone regole di progettazione. La maggior parte dei produttori di PCB può produrre larghezza di linea e spaziatura di linea a partire da 0,006 pollici.

Questa precisione non ha alcun problema con i circuiti a bassa frequenza, ma i circuiti RF generalmente hanno bisogno di cavi 50 Ω per funzionare normalmente. Il volume delle parti sta diventando sempre più piccolo, ma le leggi della fisica non cambieranno. Pertanto, una linea microstrip su una scheda prototipo spessa 0,062 pollici oggi è larga 0,11 pollici, rispetto a 0,11 pollici 30 anni fa. Tuttavia, molti componenti SMT (tecnologia di assemblaggio superficiale) sono molto più piccoli rispetto ai componenti della generazione precedente. Pertanto, la scheda bifacciale a basso costo utilizzata per il prototipo RF non sembra essere adatta per i piccoli componenti SMT di oggi.

Utilizzando una struttura cpwg (a guida d'onda complanare messa a terra), il cablaggio RF 50 Ω può essere fabbricato su PCB. La struttura Cpwg può produrre il routing richiesto e la sua larghezza è inferiore a quella della struttura microstrip.

Una lamina di rame messa a terra sulla scheda superiore è vicina a una linea microstrip, che aumenta la capacità della struttura microstrip. Per compensare e mantenere l'intera struttura a 50 Ω, la larghezza del cablaggio centrale deve essere ridotta ad un certo punto per renderlo più induttante.

Come progettare la struttura cpwg con il processo PCB a basso costo e veloce? Molti calcolatori cpwg possono essere trovati su Internet, ma quando la spaziatura tra strati è inferiore al 30% della larghezza di routing? Al 50%, questi calcolatori falliranno perché l'altezza della lamina di rame sul circuito stampato diventa un fattore significativo. Aggiunge più capacità di quanto la calcolatrice supponga. Pertanto, il routing progettato da queste calcolatrici ha una capacità troppo elevata, riducendo la sua impedenza a meno di 50 Ω. Queste formule possono essere ricondotte al design IC molti anni fa.

Le formule in molti calcolatori non possono più essere utilizzate, perché il PCB di oggi è essenzialmente diverso da IC. Il modo migliore per progettare correttamente un cpwg con un rapporto di spaziatura stretta su un PCB è utilizzare un simulatore elettromagnetico tridimensionale completo. Questo esempio fornisce valori per alcune strutture comuni.

Mantenendo la distanza minima di routing a 6 mil, ho simulato, fabbricato e testato una struttura cpwg. Per il comune materiale PCB FR-4 di spessore 0,062 pollici, un cablaggio con una larghezza di 0,032 pollici e una distanza di 0,006 pollici è più vicino a 50 Ω. A 6 GHz, la perdita di ritorno della linea di routing è migliore di 40 dB.

Questo schema è migliore del metodo di cablaggio largo 0,11 pollici ed è compatibile con i componenti SMT. I componenti SMT della dimensione 0603 e i comuni connettori di bordo della scheda SMA (surface mount assembly) possono adattarsi perfettamente a questo cavo. Figura 1 confronta una varietà di componenti RF comuni con un PCB preparato. Per le parti con dimensione del pad maggiore di 0,032 pollici larghezza di fresatura, può essere compensato aumentando il divario dal terreno della piastra superiore. Ad esempio, aumentando la distanza superiore da un pad SMT 0805 a circa 0,008 pollici e un pad elemento SMT 1206 a 0,012 pollici può impedire l'eccessiva capacità del pad.

Per rispettare le regole generali di progettazione, ho tirato indietro il foglio di rame 0,01 pollici dal bordo del circuito stampato sul PCB di prova. Tuttavia, questo pull back e connettori montati sul lato della scheda aggiungono una piccola quantità di induttanza alla conversione. Il perno spesso al centro del connettore laterale della scheda alla fine del cablaggio aggiunge capacità aggiuntiva per fornire la compensazione della capacità integrata. accorciando il perno a circa metà della sua lunghezza originale, si può ottenere una capacità approssimativamente equivalente per bilanciare l'induttanza di conversione.

La struttura Cpwg richiede un piano di terra solido sotto il percorso; Lasciare un'apertura al piano terra sotto il cablaggio dello strato superiore aggiunge una grande induttanza alla struttura e riduce le prestazioni ad alta frequenza. Inoltre, alcune vie devono essere utilizzate per "cucire" il terreno superiore e il terreno inferiore. Il posizionamento di tali vias cuciti non deve superare un ottavo della lunghezza d'onda più alta di frequenza utilizzata dal circuito. Si noti che la spaziatura di 0,1 pollici funziona bene a frequenze superiori a 10 GHz.

La spaziatura tra le vie cucite alla linea centrale segue le stesse regole di spaziatura. Abbastanza vias per il normale funzionamento possono essere facilmente disposti sulla linea di routing.

Se non ci sono abbastanza vias, un piccolo ma veloce calo da 0,5 dB a 1 dB sarà visto nelle caratteristiche di trasmissione di S21, piuttosto che una pendenza lineare di perdita con frequenza. Questo effetto può essere visto immediatamente con un VNA (analizzatore di rete vettoriale). La misura della scheda di prova mostra che la perdita è di circa 0,25 dB / in a 3 GHz e 1 dB / in a 10 GHz, inclusi due connettori bordo scheda.

Se si desidera collegare dispositivi SMT o IC con pad più stretti di 0,032 pollici, restringere il conduttore centrale come necessario e vicino al dispositivo il più possibile. Se la discontinuità effettiva è piccola, il suo effetto può essere ignorato quando la frequenza non è molto alta.