PCB Блог - Советы PCB - панелей для уменьшения связи сигналов в процессе радиочастотного проектирования

Дизайн радиочастотных (RF) PCB - плат часто описывается как « черное искусство» из - за его теоретической неопределенности, но эта точка зрения является лишь частично правильной, и есть много руководств по проектированию RF - плат, которые можно и не следует следовать и игнорировать. Однако, когда дело доходит до фактического дизайна, реальный фокус заключается в том, как идти на компромисс, когда точное осуществление этих норм и законов невозможно из - за различных ограничений дизайна. Конечно, есть много важных тем радиочастотного проектирования, которые заслуживают обсуждения, включая соответствие сопротивлений и импедансов, изоляционные материалы и ламинарные пластины, длины волн и стоячие волны, но в этой статье основное внимание будет уделено различным вопросам, связанным с конструкцией отсеков радиочастотных пластин. Сегодняшний дизайн мобильных телефонов объединяет все различными способами, что не способствует дизайну радиочастотных панелей. В настоящее время индустрия очень конкурентоспособна, и все ищут способы объединить множество функций с масштабами и затратами. Моделированные, цифровые и RF - схемы плотно упакованы вместе, почти нет места для разделения их соответствующих проблемных областей, и количество слоев обычно уменьшается из - за соображений стоимости. Удивительно, но многоцелевой чип может интегрировать несколько функций на очень маленьком чипе, а штыри, подключенные к внешнему миру, расположены настолько плотно, что RF, IF, аналоговые и цифровые сигналы настолько близки, что они обычно не имеют электрической связи. Распределение электроэнергии может быть кошмаром для дизайнеров, когда различные части схемы делятся временем по мере необходимости и сохраняют срок службы батареи с помощью переключателя управления программным обеспечением. Это означает, что вашему телефону может потребоваться от 5 до 6 рабочих источников питания.

Концепция радиочастотной компоновки

При проектировании радиочастотной компоновки необходимо отдавать приоритет нескольким общим принципам: изолировать, насколько это возможно, мощные радиочастотные усилители (HPA) от малошумных усилителей (LNA) и, короче говоря, держать высокомощные радиочастотные передающие схемы подальше от маломощных радиочастотных приемных схем. Если на вашем PCB есть большое физическое пространство, вы можете легко это сделать, но обычно это невозможно из - за большого количества компонентов на PCB и меньшего пространства. Вы можете разместить их на обеих сторонах PCB - платы или позволить им работать поочередно, а не одновременно. Мощные схемы могут также иногда включать RF - буферы и генераторы управления давлением (VCO). Убедитесь, что по крайней мере одно полное заземление в зоне высокой мощности на ПХБ без пробоин. Конечно, чем больше меди, тем лучше. Позже мы поговорим о том, как нарушить этот принцип проектирования по мере необходимости и как избежать возникающих проблем. Также чрезвычайно важно, чтобы чипы и источники питания были связаны, а несколько способов реализации этого принципа будут обсуждены позже. Обычно радиочастотные выходы должны быть удалены от радиочастотных входов, и мы подробно обсудим это позже. Чувствительные аналоговые сигналы должны быть максимально удалены от высокоскоростных цифровых и RF сигналов.

Как насчет зонирования?

Проектные разделы можно разделить на физические и электрические. Физические разделы в основном касаются размещения компонентов, направления и защиты; Электрические разделы могут по - прежнему распадаться на разделы, используемые для распределения электроэнергии, RF - маршрутов, чувствительных цепей и сигналов и заземления. Во - первых, мы поговорим о физическом разделении. Размещение компонентов является ключом к реализации радиочастотной конструкции. Эффективная технология заключается в том, чтобы сначала закрепить компоненты, расположенные на радиочастотном пути, и настроить их направление, чтобы минимизировать длину радиочастотного пути, держать вход подальше от выхода и как можно больше отделять компоненты. Электрические и маломощные цепи. Эффективным методом укладки пластин является размещение основной плоскости заземления (основного заземления) на втором слое под поверхностным слоем и запуск как можно большего количества RF - линий на поверхностном слое. Уменьшение размера перфорации на пути RF не только уменьшает индуктивность пути, но и уменьшает точку гравитации на главном заземлении и уменьшает вероятность утечки энергии RF в другие области стека. В физическом пространстве линейных схем, таких как многоступенчатые усилители, обычно достаточно, чтобы изолировать несколько областей RF друг от друга, но дуплексы, смесители и усилители / смесители IF всегда имеют несколько RF / IF. Сигналы мешают друг другу, поэтому необходимо быть осторожным, чтобы свести это влияние к минимуму. Линии следов RF и IF должны пересекаться, насколько это возможно, и оставлять заземленное пространство между ними, насколько это возможно. Правильная радиочастотная маршрутизация очень важна для производительности PCB в целом, поэтому размещение компонентов обычно занимает большую часть времени при проектировании PCB телефона. На PCB телефона цепь LNA обычно можно разместить на одной стороне PCB, мощный усилитель на другой стороне и, наконец, подключить их к одной стороне RF и базовой полосе через дуплекс на антенне устройства. Требуются некоторые навыки, чтобы убедиться, что сквозное отверстие не перемещает радиочастотную энергию с одной стороны платы на другую, и обычная технология заключается в использовании слепых отверстий с обеих сторон. Вредные эффекты сквозных отверстий можно минимизировать путем размещения сквозных отверстий в районах, где нет радиочастотных помех по обе стороны от ПХБ.

Иногда невозможно обеспечить адекватную изоляцию между несколькими блоками, и в этом случае необходимо учитывать металлические экраны для защиты RF - энергии в области РЧ, но есть также проблемы с металлическими экранами, например, их собственные затраты и затраты на сборку очень высоки; Металлические экраны с нерегулярной формой трудно обеспечить высокую точность в процессе изготовления, а прямоугольные или квадратные металлические экраны ограничивают компоновку деталей; Металлическая защита не способствует замене деталей и локализации неисправностей; Поскольку металлический экран должен быть сварен к земле и должен находиться на надлежащем расстоянии от сборки, он занимает ценное пространство PCB. По возможности важно обеспечить целостность экрана. Цифровая сигнальная линия, входящая в металлический экран, должна, насколько это возможно, идти к внутреннему слою, а пластина PCB под кабельным слоем является заземленным слоем. Сигнальные линии RF могут выводиться из небольшого зазора в нижней части металлического экрана и слоя проводки в зазоре заземления, но вокруг зазора должно быть распределено как можно больше заземления, заземление на разных слоях может быть соединено несколькими перфорациями. Несмотря на вышеуказанные проблемы, металлические экраны очень эффективны и часто являются решением для изоляции ключевых цепей. Кроме того, очень важна правильная и эффективная развязка питания чипа. Многие RF - чипы с интегрированными линейными линиями очень чувствительны к шуму питания, и обычно для каждого чипа требуется до четырех конденсаторов и один изолированный индуктор, чтобы убедиться, что все шумы питания отфильтрованы).

Значение конденсатора обычно определяется его саморезонансной частотой и низкой индуктивностью, а значение C4 выбирается соответствующим образом. Значения C3 и C2 относительно велики из - за собственной индуктивности выводов, поэтому эффект развязки RF меньше, но они лучше подходят для фильтрации низкочастотных шумовых сигналов. Индуктор L1 предотвращает соединение RF - сигналов с линии электропитания на чип. Помните, что все маршруты являются потенциальными антеннами, которые могут принимать и отправлять радиочастотные сигналы, а также изолировать индукционные радиочастотные сигналы от критических проводов. Физическое положение этих развязок также часто имеет решающее значение. Принцип компоновки этих важных компонентов заключается в том, что C4 должен быть как можно ближе к выводам IC и заземлен, C3 должен быть ближе к C4, C2 должен быть ближе к C3, а вывод IC должен быть ближе к C4. Подключение должно быть как можно короче, и заземляющие зажимы этих компонентов (особенно C4) обычно должны быть соединены с заземленными выводами чипа через следующую плоскость заземления. Переломы, соединяющие компоненты с заземленным слоем, должны быть как можно ближе к сварному диску компонентов на ПХБ. Слепое отверстие на сварном диске используется для снижения индуктивности соединительной линии, которая приближается к C1. Интегрированные схемы или усилители обычно имеют выход с открытой утечкой, поэтому требуется верхний натяжной индуктор для обеспечения высокого сопротивления RF - нагрузки и низкого сопротивления DC - источника. Этот же принцип применим к развязке источника питания на стороне индуктора. Некоторые чипы требуют нескольких источников питания для работы, поэтому вам может потребоваться от двух до трех наборов конденсаторов и индукторов для отдельной развязки, что может вызвать некоторые проблемы, если вокруг чипа недостаточно места. Помните, что индукторы редко соединяются параллельно, так как это создает полые трансформаторы и индуцирует сигналы помех, поэтому они должны быть по крайней мере на том же расстоянии, что и высота одного из устройств, или отделены под прямым углом, чтобы уменьшить их взаимную чувствительность.

Принцип электрического зонирования обычно такой же, как и физический, но он также включает в себя ряд других факторов. Некоторые компоненты современных телефонов работают при различных напряжениях и управляются программным обеспечением для продления срока службы батареи. Это означает, что телефон должен работать с несколькими источниками питания, что создает больше проблем с изоляцией. Источники питания обычно вводятся в разъем и немедленно развязываются перед распределением через набор переключателей или регуляторов напряжения, чтобы отфильтровать любой шум за пределами панели. Большинство схем в телефоне имеют довольно небольшой ток постоянного тока, поэтому ширина следа обычно не является проблемой, однако для питания мощных усилителей должна быть запущена как можно более широкая отдельная линия высокого тока, чтобы свести к минимуму падение напряжения передачи. Чтобы избежать чрезмерной потери тока, требуется несколько отверстий для передачи тока из одного слоя в другой. Кроме того, если мощный усилитель не полностью развязан в его источнике питания, шум высокой мощности излучает всю пластину и вызывает различные проблемы. Заземление мощных усилителей имеет решающее значение и часто требует металлических экранов. В большинстве случаев также важно обеспечить, чтобы выход RF был удален от ввода RF. Это также относится к усилителям, буферам и фильтрам. В худшем случае, если выход усилителя и буфера возвращается на входной конец с соответствующей фазой и амплитудой, они могут самовозбуждаться. В любом случае они будут стабильно работать при любой температуре и напряжении. На самом деле, они могут стать нестабильными и добавлять шум и сигналы взаимной настройки к сигналам RF.

Если сигнальная линия RF должна вернуться от входного конца фильтра к выходному, это может серьезно повредить полосовые характеристики фильтра. Для обеспечения хорошей изоляции между входом и выходом, во - первых, заземление должно быть размещено вокруг фильтра, а во - вторых, заземление должно быть размещено в нижней части фильтра и соединено с основным заземлением вокруг фильтра. Это также хорошая идея, что сигнальная линия, которая должна проходить через фильтр, должна быть как можно дальше от его выводов. Кроме того, будьте очень осторожны и не приземляйтесь нигде на доске, иначе вы можете неосознанно ввести канал связи, который вы не хотите, чтобы это произошло. Этот метод заземления подробно описан на рисунке 3. Иногда можно выбрать однополюсные или сбалансированные линии радиочастотного сигнала, к которым применяются те же принципы, что и к перекрестным помехам и EMC / EMI. При правильной проводке сбалансированные линии сигналов RF могут уменьшить шум и перекрестные помехи, но их сопротивление обычно высокое, и они должны поддерживать разумную ширину линии, чтобы получить сопротивление, соответствующее источнику, маршруту следования и нагрузке. Реальная проводка может быть затруднена. Буфер может быть использован для улучшения изоляции, так как он может разделить один и тот же сигнал на две части и использовать его для управления различными схемами, особенно когда LO может потребоваться буфер для управления несколькими смесителями. Когда смеситель достигает конформной изоляции на радиочастотной частоте, он не будет работать должным образом. Буфер хорошо изолирует изменения сопротивления на разных частотах, чтобы схемы не мешали друг другу. Буферы очень полезны при проектировании, они могут быть размещены за цепью, требующей привода, так что линия выхода высокой мощности коротка, поскольку уровень входного сигнала буфера относительно низок, поэтому они не уязвимы для других схем на панели. Схема вызывает помехи. Есть еще много очень чувствительных сигналов и маршрутов управления, которые требуют особого внимания, но они выходят за рамки этой статьи, поэтому здесь они рассматриваются только кратко и не будут подробно описаны.

Генераторы с управлением давлением (VCO) преобразуют изменяющееся напряжение в изменяющуюся частоту, функцию, используемую для высокоскоростного переключения каналов, но они также преобразуют небольшое количество шума на управляющем напряжении в небольшие изменения частоты, которые увеличивают шум RF - сигнала. Как правило, после этого вы больше не сможете удалять шум из выходного сигнала RF. В чем же сложность? Во - первых, ожидаемая пропускная способность линии управления может быть в диапазоне от DC до 2 МГц, и фильтрация в такой широкой полосе практически невозможна для устранения шума; Во - вторых, контрольная линия VCO обычно является частью контура обратной связи, которая контролирует частоту, как это часто бывает во многих случаях. Шум может быть повсюду, поэтому линия управления VCO должна обрабатываться очень осторожно. Убедитесь, что заземление под линией следа RF является сплошным и что все компоненты прочно связаны с основным заземлением и изолированы от других линий следа, которые могут вводить шум. Кроме того, убедитесь, что источник питания VCO полностью развязан, поскольку выход VCO RF часто находится на относительно высоком уровне, а выходной сигнал VCO может легко мешать другим схемам, поэтому особое внимание следует уделять VCO. На самом деле, VCO обычно размещается в конце области RF, и иногда ему требуется металлическая защита.

Резонансные схемы (одна для передатчиков, другая для приемников) связаны с VCO, но также имеют свои собственные характеристики. Проще говоря, резонансная схема представляет собой параллельную резонансную схему с конденсаторным диодом, которая помогает настроить рабочую частоту VCO и модулировать речь или данные на RF - сигнал. Все принципы проектирования VCO одинаково применимы к резонансным схемам. резонансные схемы, как правило, очень чувствительны к шуму, потому что их компоненты значительны, широко распределены по панелям и обычно работают на очень высоких частотах RF. Сигналы обычно расположены на соседних выводах чипа, но эти сигнальные выводы должны работать с относительно большими датчиками и конденсаторами, что, в свою очередь, требует, чтобы эти датчики были плотно размещены с конденсаторами и подключены к контурам управления чувствительностью к шуму. Сделать это будет нелегко. Автоматический усилитель управления усилением (AGC) также является проблематичным местом, и усилитель AGC будет присутствовать как в передающей, так и в приемной цепях. Усилители AGC обычно эффективны в фильтрации шума, но быстрое изменение интенсивности передачи и приема сигналов сотовой телефонной связи требует, чтобы схемы AGC имели довольно широкую полосу пропускания, что делает усилители AGC на некоторых критических схемах легко вводить шум. При проектировании линий AGC необходимо следовать хорошей технологии проектирования аналоговых схем, связанной с очень короткими входными выводами операционных усилителей и очень короткими путями обратной связи, которые должны быть удалены от RF, IF или высокоскоростных цифровых сигналов. Кроме того, необходимо хорошее заземление, и питание чипа должно быть хорошо развязано. Если вы должны подключить длинный провод на входном или выходном конце, то на выходе его сопротивление обычно намного ниже и не может легко генерировать индуктивный шум. Как правило, чем выше уровень сигнала, тем легче вводить шум в другие схемы. Во всех конструкциях PCB общим принципом является максимальное удаление цифровых схем от аналоговых схем, что также применимо к RF PCB. Обычное аналоговое заземление, как правило, так же важно, как и заземление, используемое для защиты и изоляции сигнальных линий, и проблема заключается в том, что каждый раз без предвидения и тщательного планирования практически ничего не может сделать в этом отношении. Поэтому тщательное планирование, продуманное размещение компонентов и тщательная оценка размещения важны на ранних этапах проектирования, поскольку непреднамеренные изменения дизайна могут привести к тому, что почти завершенный дизайн придется реконструировать. В любом случае, серьезные последствия такой небрежности не являются хорошими для вашего личного профессионального развития. Кроме того, держите линии RF подальше от аналоговых линий и некоторых очень важных цифровых сигналов. Все RF - провода, сварочные диски и компоненты должны быть максимально заполнены заземленной медью и, насколько это возможно, соединены с основным заземлением. Строительные панели с микроперфорацией (например, хлебные панели) полезны на этапе разработки радиочастотных схем, и если вы выберете сборку, вы можете бесплатно использовать количество перфораций, которые вы хотите, иначе бурение скважин на обычных ПХБ увеличит затраты на разработку, что увеличит затраты на массовое производство.

Если RF - след должен проходить через сигнальную линию, попробуйте провести один слой вдоль линии RF - следа между ними, чтобы подключиться к заземлению основного заземления. Если это невозможно, убедитесь, что они пересекаются, чтобы свести к минимуму конденсаторную связь и заземлеть как можно больше вокруг каждой линии следа RF, а затем подключить их к главному заземлению. Кроме того, уменьшение расстояния между параллельными трассами RF может уменьшить индуктивную связь. Твердая монолитная плоскость заземления помещается непосредственно под поверхностью, и эффект изоляции, хотя после небольшого тщательного проектирования, другие методы также эффективны. Я пытался разделить плоскость заземления на несколько частей, чтобы изолировать аналоговые, цифровые и RF - линии, но я никогда не был доволен результатом, потому что всегда есть высокоскоростные сигнальные линии, проходящие через эти отдельные заземления, что не очень хорошо. На каждом слое пластины PCB уложите как можно больше заземления и соедините его с основным заземлением. Поставьте линию следа как можно ближе, чтобы увеличить количество сварных дисков на внутреннем сигнале и распределительном слое, а также отрегулируйте линию следа, чтобы можно было подключить заземленную проводку через отверстие к изолированному сварному диску на поверхности. Следует избегать свободного заземления слоев пластины PCB, поскольку они могут собирать или вводить шум, как небольшие антенны.