Новости PCB - Микроволновая конструкция PCB для носимых устройств

Носимые устройства требуют высокой надежности, и это может быть проблемой, когда разработчики PCB сталкиваются с выбором FR4 (наиболее экономичного материала для изготовления PCB) или более продвинутого и дорогого материала.

Из - за его небольшого размера для растущего рынка носимых IoT существует очень мало стандартов готовых печатных плат. Прежде чем разрабатывать эти стандарты, мы должны опираться на знания и производственный опыт, накопленный в ходе разработки на уровне панелей, и думать о том, как применять их к уникальным возникающим проблемам. Особого внимания требуют три аспекта: поверхностные материалы монтажных плат, конструкция радиочастот / микроволн и линии радиочастотной передачи.

Материалы для монтажных плат

ПХБ обычно состоят из слоев, которые могут быть изготовлены из волокнистых эпоксидных смол (FR4), полиамида или Роджерса или других ламинарных материалов. Изоляционный материал между слоями называется полуотвержденным листом.

Носимые устройства требуют высокой надежности, и это может быть проблемой, когда разработчики PCB сталкиваются с выбором FR4 (наиболее экономичного материала для изготовления PCB) или более продвинутого и дорогого материала.

Если носимые PCB - приложения требуют высокоскоростных и высокочастотных материалов, FR4 может быть не лучшим вариантом. Диэлектрическая константа FR 4 (Dk) составляет 4,5, более продвинутая серия Rogers 4003 имеет диэлектрический коэффициент 3,55, а брат Rogers 4350 имеет диэлектрический коэффициент 3,66.

Рисунок 1: Стеллаж многоуровневых печатных плат, показывающий материал FR4 и Rogers 4350 и толщину слоя сердечника.

Диэлектрическая константа слоя - отношение емкости или энергии пары проводников вблизи слоя к емкости или энергии пары проводников в вакууме. При высоких частотах желательно иметь очень небольшие потери, поэтому Loger 4350 с диэлектрическим коэффициентом 3,66 лучше подходит для более высоких частот, чем FR4 с диэлектрической константой 4,5.

Как правило, уровни PCB для носимых устройств находятся между 4 и 8 уровнями. Принцип построения слоя заключается в том, что, если это 8 - слойный PCB, он должен обеспечить достаточный пласт и слой питания, а проводящий слой должен быть зажат посередине. Таким образом, эффект волны текстуры в последовательных помехах может быть минимизирован, а электромагнитные помехи (EMI) могут быть значительно уменьшены.

На этапе проектирования макета платы схема компоновки обычно размещает большие слои вблизи распределительного слоя. Это приводит к очень низкому эффекту текстуры, и системный шум может быть уменьшен почти до нуля. Это особенно важно для радиочастотных подсистем.

FR4 имеет более высокий коэффициент рассеяния (Df), чем материал Роджерса, особенно при высоких частотах. Для более высокопроизводительных стеков FR4 значение Df составляет около 0002, что на порядок лучше, чем для обычных стеков FR4. Тем не менее, Rogers имеет только 0001 слой или меньше. Когда материал FR4 используется в высокочастотных приложениях, потери при вставке значительно различаются. Интерполяционные потери - потеря мощности от точки A до точки B при использовании FR4, Rogers или других материалов.

Проблемы производства PCB

Носимые PCB требуют более строгого контроля сопротивления, что является важным фактором для носимых устройств, где соответствие сопротивления может обеспечить более четкую передачу сигнала. Ранее стандартный допуск для маршрутов передачи сигналов составлял (+) 10%. Для современных высокочастотных высокоскоростных схем этот показатель явно недостаточно хорош. Теперь требование (+) 7%, а в некоторых случаях даже (+) 5% или ниже. Этот параметр и другие переменные могут серьезно повлиять на производство носимых PCB с очень строгим контролем сопротивления, что ограничивает количество предприятий, которые могут их производить.

Допуск диэлектрической константы для слоев, изготовленных из материалов ROGERS UHF, обычно составляет (+) 2%, а некоторые продукты могут даже достигать (+) 1%, в то время как уровень FR4 составляет 10%. Таким образом, сравнение этих двух материалов показало, что потери Роджерса при вставке были особенно низкими. Потери при передаче и вставке в стеке Роджерса составляют половину обычных материалов FR4.

В большинстве случаев затраты являются наиболее важными. Тем не менее, Rogers может обеспечить относительно низкие потери и высокочастотные возможности укладки по приемлемой цене. Для коммерческого применения Роджерс может делать гибридные ПХБ с FR4 на основе эпоксидной смолы, некоторые из которых используют Роджерса, а другие используют FR4.

Частота является основным соображением при выборе стека Роджерса. Когда частота превышает 500 МГц, разработчики PCB предпочитают выбирать материалы Роджерса, особенно для RF / микроволновых схем, поскольку эти материалы могут обеспечить лучшую производительность, когда эти линии строго контролируются сопротивлением.

Материалы Роджерса также обеспечивают более низкие диэлектрические потери по сравнению с материалами FR4, и их диэлектрические константы стабильны в более широком диапазоне частот. Кроме того, материалы Rogers обеспечивают идеальные характеристики с низким уровнем потерь для высокочастотных операций.

Коэффициент теплового расширения (CTE) материалов серии Rogers 4000 обладает отличной стабильностью размеров. Это означает, что расширение и сжатие печатных плат могут поддерживаться на стабильном пределе при более высоких частотах и температурах по сравнению с FR4, когда PCB испытывает холодный, горячий и очень горячий цикл обратной сварки.

В случае гибридного слоя Rogers легко смешивается с высокопроизводительным FR4 с использованием обычных производственных процессов, что делает относительно легко достичь высоких производственных показателей. Стакан Роджерса не требует специального процесса подготовки отверстий.

Обычный FR4 не может обеспечить очень надежные электрические характеристики, но высокопроизводительные материалы FR4 имеют хорошую надежность, например, более высокий Tg, и все еще относительно дешевы для широкого спектра применений, от простого аудиодизайна до сложных микроволновых приложений.

PCBRF / Микроволновый PCB дизайн Внимание

Портативные технологии и Bluetooth проложили путь к применению радиочастот / микроволн в носимых устройствах. Сегодня частотный диапазон становится все более динамичным. Несколько лет назад ОВЧ (ВЧ) определялись как 2ГГц ~ 3ГГц. Но теперь мы можем видеть UHF - приложения от 10 ГГц до 25 ГГц.

Поэтому для носимых ПХБ сегмент RF должен уделять более пристальное внимание проблеме проводки, разделяя сигналы, чтобы генерировать высокочастотные сигналы вдали от земли. Другие соображения включают в себя наличие обходных фильтров, достаточной емкости развязки, заземления и почти равной конструкции линий передачи и колец.

Фильтр шунтирования может подавлять уровень шума и эффект полосы помех. Десвязующая емкость должна быть размещена ближе к выходу устройства, несущего электрический сигнал.

Высокоскоростные линии передачи и сигнальные кольца требуют установки слоя между сигналами уровня мощности для сглаживания дрожания, создаваемого шумовыми сигналами. При более высоких скоростях сигнала небольшое рассогласование сопротивления может привести к несбалансированной передаче и приему сигнала, что приведет к искажениям. Поэтому особое внимание следует уделять согласованию сопротивлений, связанных с радиочастотными сигналами, поскольку они имеют высокую скорость и специальные допуски.

Линия передачи RF требует управления сопротивлением для передачи сигнала RF от определенной IC - платы к PCB. Эти линии передачи могут быть реализованы на внешнем, верхнем и нижнем уровнях или спроектированы на промежуточном уровне.

Методы, используемые в радиочастотной конфигурации PCB, включают микрополосные линии, подвесные полосы, конвективные волноводы или заземление. Микрополосная линия состоит из металла или линии фиксированной длины и всей или части плоскости прямо под ней.

Подвесная ленточная линия - еще один метод проводки и подавления шума. Линия состоит из внутренней проводки фиксированной ширины и большой поверхности заземления над и ниже центрального проводника. Уровень заземления зажат в середине слоя питания, что обеспечивает очень эффективный эффект заземления. Это предпочтительный метод для носимой RF - проводки PCB.

Совокупные волноводы обеспечивают лучшую изоляцию вблизи радиочастотных линий и линий, требующих близости друг к другу. Среда состоит из центрального проводника и плоскости заземления над ним или под ним. Оба метода обеспечивают лучшую изоляцию между сигналами и линиями RF.

Рекомендуется использовать так называемое « сквозное ограждение» по обе стороны от общего волновода. Этот метод обеспечивает ряд заземленных отверстий на каждом металлическом полу центрального проводника. Основные маршруты, расположенные посередине, огорожены по обеим сторонам, что обеспечивает короткий путь для обратного потока на нижний уровень. Этот метод может снизить уровень шума, связанный с эффектом высокой текстуры радиочастотного сигнала. Диэлектрическая константа составляет 4,5 и остается неизменной с диэлектрической константой полуотвержденного материала FR4, в то время как диэлектрическая проницаемость полуотвержденного материала (от микрополосных линий, полос или полос смещения) составляет от 3,8 до 3,9.

В некоторых устройствах, использующих уровень земли, слепые отверстия могут использоваться для улучшения характеристик развязки емкости мощности и обеспечения шунтирования от устройства к земле. Путь шунта к земле может сократить длину отверстия, что позволяет достичь двух целей: вы можете не только создать шунт или заземление, но и уменьшить расстояние передачи устройства с небольшим пластырем, что является важным фактором радиочастотного проектирования.