PCB新聞 - 可穿戴設備的微波PCB設計

可穿戴設備要求高可靠性，當印刷電路板設計師面臨FR4（最具成本效益的印刷電路板製造資料）或更先進、更昂貴的資料的選擇時，這可能是一個問題。

由於其體積小，對於不斷增長的可穿戴物聯網市場，幾乎沒有現成的印刷電路板標準。 在製定這些標準之前，我們必須依靠在板級開發中獲得的知識和製造經驗，並思考如何將其應用於獨特的新興挑戰。 有3個領域需要特別注意：電路板表面資料、射頻/微波設計和射頻傳輸線。

印刷電路板資料

印刷電路板通常由層組成，層可以由纖維增強環氧樹脂（FR4）、聚醯亞胺或羅傑斯或其他層壓板製成。 層之間的絕緣材料稱為半固化板。

可穿戴設備要求高可靠性，當印刷電路板設計師面臨FR4（最具成本效益的印刷電路板製造資料）或更先進、更昂貴的資料的選擇時，這可能是一個問題。

如果可穿戴印刷電路板應用需要高速、高頻資料，FR4可能不是最佳選擇。 FR 4的介電常數（Dk）為4.5，更先進的Rogers 4003系列的介電常數為3.55，Rogers 4350兄弟的介電常數為3.66。

圖1：多層印刷電路板的堆疊圖，顯示FR4資料和Rogers 4350以及芯層厚度。

電堆的介電常數是指電堆附近一對導體的電容或能量與真空中一對導體的電容或能量之比。 在高頻下，最好具有非常小的損耗，囙此介電係數為3.66的Loger 4350比介電常數為4.5的FR4更適用於更高的頻率。

通常，用於可穿戴設備的印刷電路板層數量在4到8之間。 層的構造原理是，如果它是8層印刷電路板，則應提供足够的層和功率層，並將佈線層夾在中間在中間。 這樣，可以最小化串擾中的漣漪效應，並顯著降低電磁干擾（EMI）。

在電路板佈局設計階段，佈局方案通常將較大的層放置在配電層附近。 這導致紋波效應非常低，系統雜訊可以降低到幾乎為零。 這對於射頻子系統尤其重要。

FR4具有比Rogers資料更高的損耗因數（Df），尤其是在高頻下。 對於更高效能的FR4堆棧，Df值約為0.002，比普通FR4堆棧好一個數量級。 然而，羅傑斯只有0.001或更小的層。 當FR4資料用於高頻應用時，插入損耗存在顯著差异。 插值損耗是指當使用FR4、Rogers或其他資料時，從A點到B點的功率損耗。

印刷電路板製造問題

可穿戴印刷電路板需要更嚴格的阻抗控制，這是可穿戴設備的一個重要因素，阻抗匹配可以產生更清潔的訊號傳輸。 此前，訊號傳輸線路的標準容差為（+）10%。 對於今天的高頻高速電路來說，這個名額顯然不够好。 現在的要求是（+）7%，在某些情况下甚至是（+）5%或更少。 這個參數，連同其他變數，會嚴重影響阻抗控制非常嚴格的可穿戴印刷電路板的製造，從而限制了能够製造它們的企業數量。

羅傑斯超高頻資料層的介電常數公差通常為（+）2%，一些產品甚至可以達到（+）1%，而FR4層的介電常數公差為10%。 囙此，比較這兩種資料，可以發現Rogers的插入損耗特別低。 羅傑斯疊層的傳輸損耗和插入損耗是傳統FR4資料的一半。

在大多數情况下，成本是最重要的。 然而，Rogers可以以可接受的價格提供相對較低的損耗、高頻堆疊效能。 對於商業應用，Rogers可以與基於環氧樹脂的FR4製成混合印刷電路板，其中一些使用Rogers，另一些使用FR4。

選擇羅傑斯堆棧時，頻率是首要考慮因素。 當頻率超過500 MHz時，印刷電路板設計師傾向於選擇Rogers資料，尤其是對於射頻/微波電路，因為當上述線路受到嚴格的阻抗控制時，這些資料可以提供更好的效能。

與FR4資料相比，Rogers資料的介電損耗更低，介電常數在較寬的頻率範圍內穩定。 此外，羅傑斯資料可以為高頻操作提供理想的低損耗效能。

Rogers 4000系列資料的熱膨脹係數（CTE）具有良好的尺寸穩定性。 這意味著，與FR4相比，當印刷電路板經歷冷、熱和極熱回流焊接迴圈時，印刷電路板的膨脹和收縮可以在更高頻率和更高溫度下保持在穩定極限。

在混合層的情况下，很容易使用普通制造技術科技將Rogers與高性能FR4混合，從而相對容易實現高制造成品率。 Rogers堆疊不需要專業的孔製備過程。

普通FR4不能實現非常可靠的電力效能，但高性能FR4資料確實具有良好的可靠性，例如更高的Tg，仍然相對便宜，可以用於從簡單的音訊設計到複雜的微波應用的廣泛應用。

印刷電路板射頻/微波印刷電路板設計注意事項

可擕式科技和藍牙技術為可穿戴設備中的射頻/微波應用鋪平了道路。 今天的頻率範圍變得更加動態。 幾年前，甚高頻（VHF）被定義為2GHz～3GHz。 但現在我們可以看到UHF應用範圍從10 GHz到25 GHz。

囙此，對於可穿戴印刷電路板，射頻部分需要更密切地關注佈線問題，將訊號分開，以便在遠離地面的地方產生高頻訊號。 其他考慮因素包括提供旁路濾波器、足够的去耦電容、接地以及輸電線路和環線的幾乎相等的設計。

旁路濾波器可以抑制雜訊含量和串擾的紋波效應。 去耦電容需要放置在更靠近攜帶功率訊號的設備引脚的位置。

高速傳輸線和訊號環路需要功率層訊號之間的一層，以平滑雜訊訊號產生的抖動。 在較高的訊號速度下，小阻抗失配可能會導致訊號的傳輸和接收不平衡，從而導致失真。 囙此，必須特別注意與射頻訊號相關的阻抗匹配，因為它們具有高速和特殊的容差。

射頻傳輸線需要阻抗控制，以將射頻訊號從特定IC基板傳輸到印刷電路板。 這些傳輸線可以在外層、頂層和底層實現，也可以在中間層設計。

印刷電路板 射頻設計佈局中使用的方法有微帶線、懸浮帶狀線、共面波導或接地。 微帶線由固定長度的金屬或線和其正下方的整個或部分平面組成。 一般微帶線結構的特性阻抗範圍為50_至75_。

懸掛帶狀線路是另一種佈線和雜訊抑制方法。 該線路由內層上的固定寬度佈線和中央導線上方和下方的大接地表面組成。 地平面夾在電源層的中間，提供了非常有效的接地效果。 這是可穿戴印刷電路板射頻訊號佈線的首選方法。

共面波導在射頻線和需要彼此靠近的線附近提供更好的隔離。 介質由中心導體和其上或其下的接地層組成。 傳輸射頻訊號的最佳方法是懸掛帶狀線或共面波導。 這兩種方法可以在訊號和射頻線之間提供更好的隔離。

建議在共面波導的兩側安裝所謂的“通孔圍欄”。 該方法在中央導線的每個金屬地板上提供一排接地孔。 中間的主要路線兩側都有柵欄，囙此為回流提供了通往下層的捷徑。 該方法可以降低與射頻訊號的高紋波效應相關的雜訊級。 4.5的介電常數與半固化FR4資料的介電常數相同，而半固化板的介電常數（來自微帶線、帶狀線或偏移帶狀線）約為3.8至3.9。

在一些使用地平面的設備中，盲孔可用於提高功率電容的去耦效能，並提供從設備到地面的分流路徑。 到地的分路路徑可以縮短孔的長度，這可以實現兩個目的：不僅可以創建分路或接地，還可以减少帶有小貼片的設備的傳輸距離，這是一個重要的射頻設計因素。