Thiết kế điện tử - Làm thế nào để giảm hiệu ứng RF trong thiết kế PCB?

Kết nối các hệ thống bảng mạch bao gồm chip với bảng mạch, kết nối trong PCB và kết nối giữa PCB và các thiết bị bên ngoài. Trong thiết kế tần số vô tuyến, các đặc tính điện từ của các điểm kết nối là một trong những vấn đề chính mà thiết kế kỹ thuật phải đối mặt. Bài viết này trình bày các mẹo khác nhau cho ba thiết kế kết nối được mô tả ở trên, bao gồm phương pháp lắp đặt thiết bị, cách ly dây và các biện pháp để giảm độ tự cảm của dây dẫn.

Thiết kế bảng mạch in ngày càng thường xuyên hơn. Khi tốc độ dữ liệu tiếp tục tăng, băng thông cần thiết để truyền dữ liệu cũng cho phép giới hạn trên của tần số tín hiệu lên 1 GHz hoặc thậm chí cao hơn. Mặc dù công nghệ tín hiệu tần số cao này vượt xa phạm vi của công nghệ sóng milimet (30GHz), nó cũng liên quan đến tần số vô tuyến và công nghệ vi sóng cấp thấp.

Do tần số tăng lên, điện trở tinh khiết của dây dẫn kim loại tăng lên khi trở kháng tăng lên. Điều này là do tác động của từ trường làm cho việc truyền tải dòng điện ngày càng nghiêng về phía bề mặt kim loại. Mặt khác, nếu một dòng điện DC được áp dụng cho dây dẫn, mật độ dòng điện trên mặt cắt ngang của dây dẫn là khác nhau và đồng nhất. Khi tần số rất cao, độ sâu truyền dòng điện trên bề mặt dây dẫn là rất nông (dây dẫn bên trong ở bề mặt bên ngoài, dây dẫn bên ngoài ở bề mặt bên trong). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng da.

Phương pháp thiết kế kỹ thuật RF phải có khả năng xử lý các hiệu ứng trường điện từ mạnh thường được tạo ra trong các băng tần cao hơn. Các trường điện từ này có thể cảm nhận tín hiệu trên các đường tín hiệu hoặc dây PCB liền kề, gây nhiễu xuyên âm khó chịu (nhiễu và tiếng ồn tổng thể) và làm suy yếu hiệu suất của hệ thống. Mất mát trở lại chủ yếu là do không phù hợp với trở kháng, ảnh hưởng của tín hiệu không phù hợp trở kháng giống như tiếng ồn cộng và nhiễu.

Mất mát trở lại cao có hai tác động tiêu cực: 1 tín hiệu phản xạ trở lại nguồn tín hiệu làm tăng tiếng ồn hệ thống, làm cho người nhận khó phân biệt tiếng ồn và tín hiệu; 2. Do sự thay đổi hình dạng của tín hiệu đầu vào, bất kỳ tín hiệu phản xạ nào về cơ bản sẽ làm giảm chất lượng tín hiệu.

Mặc dù các hệ thống kỹ thuật số chỉ xử lý tín hiệu 1 và 0 và có khả năng chịu lỗi rất tốt, sóng hài được tạo ra khi xung tốc độ cao tăng lên dẫn đến tần số càng cao và tín hiệu càng yếu. Trong khi công nghệ sửa lỗi chuyển tiếp có thể loại bỏ một số tác động tiêu cực, một số băng thông hệ thống được sử dụng để truyền dữ liệu dư thừa, dẫn đến hiệu suất hệ thống giảm. Giải pháp tốt hơn là làm cho hiệu ứng RF hoạt động thay vì phá vỡ tính toàn vẹn của tín hiệu. Tổng tổn thất trở lại được đề xuất cho tần số tối đa của hệ thống kỹ thuật số (thường là các điểm dữ liệu kém) là -25dB, tương đương với VSWR 1,1.

Mục tiêu của thiết kế PCB là nhỏ hơn, nhanh hơn và chi phí thấp hơn. Đối với rfpcb, tín hiệu tốc độ cao đôi khi có thể hạn chế việc thu nhỏ thiết kế PCB. Hiện tại, các phương pháp chính để giải quyết vấn đề nhiễu xuyên âm là quản lý mặt phẳng nối đất, khoảng cách cáp và giảm độ tự cảm của dây dẫn. Phương pháp chính để giảm tổn thất trở lại là kết hợp trở kháng. Phương pháp này bao gồm quản lý hiệu quả vật liệu cách nhiệt và cách ly các đường tín hiệu hoạt động và các đường đất, đặc biệt là giữa các đường tín hiệu và mặt đất với các bước nhảy trạng thái.

Vì các điểm kết nối là liên kết yếu nhất trong chuỗi mạch, các đặc tính điện từ của các điểm kết nối là vấn đề chính đối với thiết kế kỹ thuật trong thiết kế tần số vô tuyến. Cần phải điều tra từng điểm kết nối và giải quyết các vấn đề tồn tại. Kết nối giữa các hệ thống bảng mạch bao gồm chip với bảng mạch, kết nối trong PCB và tín hiệu đầu vào/đầu ra giữa PCB và thiết bị bên ngoài.

Kết nối chip và PCB

Cho dù chương trình có hiệu quả hay không, công nghệ thiết kế IC đi trước công nghệ thiết kế PCB trong các ứng dụng tần số cao.

Kết nối trong PCB

Mẹo và phương pháp thiết kế PCB tần số cao như sau:

Góc 1,45 ° nên được sử dụng ở góc của đường truyền để giảm tổn thất trở lại.

2. Bảng mạch cách nhiệt hiệu suất cao với giá trị thường xuyên cách nhiệt được kiểm soát chặt chẽ theo cấp nên được áp dụng. Phương pháp này có lợi cho việc quản lý hiệu quả các trường điện từ giữa vật liệu cách nhiệt và hệ thống dây điện liền kề.

3. Cải thiện đặc điểm kỹ thuật thiết kế PCB để khắc độ chính xác cao. Xem xét việc chỉ định sai số chiều rộng xe buýt+/- 0,007 inch, quản lý các đường cắt đáy và mặt cắt ngang của hình dạng dây và chỉ định các điều kiện mạ cho tường bên của dây. Quản lý tổng thể các hình dạng hình học của dây (dây dẫn) và bề mặt phủ là rất quan trọng để giải quyết các vấn đề về hiệu ứng da liên quan đến tần số vi sóng và đạt được các thông số kỹ thuật này.

4. Dây dẫn nhô ra có cảm ứng vòi, nên tránh phần tử pcb có dây dẫn. Trong môi trường tần số cao, các thành phần gắn trên bề mặt được ưu tiên.

5. Đối với tín hiệu quá lỗ, tránh sử dụng quá trình xử lý quá lỗ (PTH) trên các tấm nhạy cảm, vì quá trình này có thể gây ra cảm ứng dây dẫn tại quá lỗ. Ví dụ, khi các lỗ trên tấm 20 lớp được sử dụng để kết nối các lớp từ 1 đến 3, cảm ứng dây dẫn có thể ảnh hưởng đến các lớp từ 4 đến 19.

6. Cung cấp đủ mặt đất. Các địa tầng này nên được kết nối bằng cách sử dụng các lỗ đúc để ngăn chặn ảnh hưởng của trường điện từ 3D lên bảng.

7. Quá trình mạ niken hoặc mạ vàng không điện phân nên được lựa chọn và không được mạ bằng phương pháp HASL. Bề mặt mạ có thể cung cấp hiệu ứng da tốt hơn cho dòng điện tần số cao. Ngoài ra, lớp phủ có thể hàn cao này đòi hỏi ít chì hơn, giúp giảm ô nhiễm môi trường.

8. Lớp hàn kháng có thể ngăn chặn dòng chảy của dán hàn. Tuy nhiên, do sự không chắc chắn về độ dày và sự không chắc chắn về tính chất cách nhiệt, toàn bộ bề mặt tấm được bao phủ bởi vật liệu hàn kháng, điều này sẽ dẫn đến những thay đổi lớn về năng lượng điện từ trong thiết kế vi dải. Lớp kháng hàn thường được sử dụng làm lớp kháng hàn.

Nếu bạn không quen thuộc với các phương pháp này, hãy tham khảo ý kiến của một kỹ sư thiết kế có kinh nghiệm, người đã làm việc trong việc thiết kế bảng mạch vi sóng quân sự. Bạn cũng có thể thảo luận với họ về phạm vi giá mà bạn có thể đủ khả năng. Ví dụ, nó là kinh tế hơn để sử dụng một thiết kế microband đồng-backed hơn là một thiết kế ribbon. Bạn có thể thảo luận với họ để được tư vấn tốt hơn. Các kỹ sư giỏi có thể không được sử dụng để suy nghĩ về chi phí, nhưng lời khuyên của họ cũng rất hữu ích. Bây giờ chúng ta nên cố gắng hết sức để đào tạo các kỹ sư trẻ, những người không quen thuộc với hiệu ứng tần số vô tuyến và thiếu kinh nghiệm trong việc xử lý hiệu ứng tần số vô tuyến, đó sẽ là một công việc lâu dài.

Ngoài ra, các giải pháp khác có thể được áp dụng, chẳng hạn như cải thiện loại máy tính để có khả năng xử lý hiệu ứng RF.

Kết nối PCB với các thiết bị bên ngoài

Bây giờ có thể nghĩ rằng chúng tôi đã giải quyết tất cả các vấn đề quản lý tín hiệu trên bảng và trên các kết nối thành phần riêng biệt khác nhau. Trong microband, mặt phẳng mặt đất nằm bên dưới đường hoạt động. Điều này giới thiệu một số hiệu ứng biên cần được hiểu, dự đoán và xem xét trong thiết kế. Tất nhiên, sự không phù hợp này cũng có thể dẫn đến tổn thất ngược. Sự không phù hợp này phải được giảm thiểu để tránh nhiễu và nhiễu tín hiệu.

Quản lý vấn đề trở kháng bảng mạch là một vấn đề thiết kế không thể bỏ qua. Trở kháng bắt đầu trên bề mặt của chất nền pcb, sau đó đi qua các mối hàn đến đầu nối và cuối cùng đến cáp đồng trục. Vì trở kháng thay đổi theo tần số, tần số càng cao, việc quản lý trở kháng càng khó khăn. Vấn đề sử dụng tần số cao hơn để truyền tín hiệu trên băng thông rộng dường như là vấn đề chính trong thiết kế.