海角社区

Радиочастотные печатные платы: ваше полное руководство по радиочастотным печатным платам

  

RF PCB или радиочастотные печатные платы являются одними из самых быстрорастущих направлений в производстве печатных плат. Они работают с высокочастотными сигналами, особенно в диапазоне RF (радиочастот).

Важно тщательно обращаться с компоновкой и маршрутизацией, чтобы предотвратить проблемы, связанные с целостностью сигнала. Это связано с тем, что компоновки РЧ-плат могут содержать цифровые компоненты и, при тщательной компоновке, могут предотвратить возможные помехи между цифровыми и РЧ-сигналами.

В этой статье объясняется, что такое RF PCB, принципы ее проектирования, материальные соображения и проектирование ее компоновки. Мы также обсудим общие проблемы, с которыми сталкиваются при проектировании RF PCB, и дадим возможные советы и решения. Наконец, мы дадим советы и факторы, которые следует учитывать перед выбором лучшего производителя RF PCB. Пожалуйста, оставайтесь на этой странице, пока мы объясним тему подробнее.

  

  

  

   

Что такое радиочастотная печатная плата?

RF описывает любую частоту, на которой происходит излучение радиоволн. Диапазон частот RF обычно находится в пределах от 300 кГц до 300 ГГц. Основное различие между микроволновой печатной платой и печатной платой RF заключается в радиочастоте, на которой они работают.

RF PCB — это высокочастотная печатная плата, которая функционирует на частотах выше 100 МГц, в то время как печатные платы, работающие на частотах выше 2 ГГц, классифицируются как микроволновые печатные платы. Как микроволновые печатные платы, так и RF печатные платы необходимы для сигналов связи в приложениях, требующих передачи и приема радиосигналов, например, в радиолокационных установках.

В печатных платах RF используются материалы с высокой теплопроводностью и низкими диэлектрическими потерями. Для поддержания целостности сигнала они работают со структурами линий передачи и контролируемым импедансом. Кроме того, печатные платы RF имеют экранирующие свойства, которые помогают снизить ЭМИ (электромагнитные помехи). Эта особенность также обеспечивает лучшую передачу сигнала.

Применение плат радиочастотных схем разнообразно. К ним относятся радиолокационные системы, микроволновое оборудование и системы проводной связи. Кроме того, эти платы помогают уменьшить возможные проблемы, такие как помехи сигнала, потери сигнала и шум. Проблемы могут снизить функциональность этих высокочастотных схем.

Основная функция обычной печатной платы — обеспечение электрических соединений и механической поддержки путем монтажа на ее поверхности электрических компонентов, таких как конденсаторы, резисторы и интегральные схемы, и соединения их между собой с помощью медных дорожек.

В отличие от этого, платы RF-схемы могут обрабатывать радиочастотные и высокочастотные сигналы. По сравнению с обычными печатными платами, платы RF-схемы имеют уникальные требования к конструкции и характеристики, которые позволяют эффективно передавать сигналы в диапазоне высоких частот.

Руководство по применению печатных плат RF и подбору материалов

Применение РФ	РФ материалы	Связующие материалы	Атрибуты
Военное и космическое применение	RO4000 RT / Duroid	РО4450Ф РО4450Б	Наиболее эффективный по тепловым и электрическим характеристикам, а также по устойчивости к воздействию окружающей среды.
Бытовая электроника	RO4835 RO3010 RO3006	2929 Bondply Бондплай Серия RO3000	Он выгоден и имеет надежные тепловые и электрические характеристики.
Мед	РО4350Б	2929 Бондплай RO4400 Бондплей	Высокопроизводительные функции, подходящие для разных устройств
Промышленное	РО4350Б RO4835 XT / Duroid	RO4400 Бондплей 2929 Бондплай	Высокая прочность и устойчивость к воздействию окружающей среды
Автомобильная	RO4000 RO3003 РО4350Б	RO4400 Бондплей	Отличные электрические характеристики, соответствующие стандартным производственным процессам
Более мощные приложения	XT / Duroid 6035 HTC	Обычно не требуется или требуется индивидуальный термопринтер	Превосходное терморегулированиеnt

Основные принципы проектирования печатных плат ВЧ-диапазона

Важно уменьшить шум, потерю сигнала и электромагнитные помехи (EMI) во время проектирования RF PCB. Также важно максимизировать стабильность сигнала, силу и полосу пропускания. Вот основные принципы проектирования RF PCB.

Требования к проектированию

Прежде чем приступить к проектированию РЧ печатной платы, крайне важно определить требования к сопротивлению печатной платы, уровню мощности и диапазону частот. Также, узнайте об электронных компонентах, используемых во время сборки печатной платы (PCBA).

Компоновка печатной платы

Размещение компонентов РЧ печатной платы должно помочь сократить длину сигнального провода. Также следует использовать несколько переходных отверстий.

Кроме того, прикрепите более мелкие компоненты к критическим деталям. Помните, что радиочастотные линии должны быть короткими. Это предотвращает их прокладку близко к высокоскоростным плоскостям питания, цифровым трассам и другим источникам шума.

Заземление

Под радиочастотными трассами должна быть сплошная заземляющая пластина для уменьшения обратных путей, излучения и перекрестных помех.

Согласование импеданса

Крайне важно использовать микрополосковые линии передачи. Это обеспечивает надлежащее соответствие импеданса радиочастотных трасс с импедансами разъемов и компонентов. Также убедитесь, что пространство и ширина трассы соответствуют требуемым допускам и значению импеданса.

экранирование

Используйте радиочастотные экраны или экранированные разъемы, чтобы избежать возможных помех от других источников и утечки радиочастотного сигнала.

Тест

После завершения компоновки необходимо протестировать схему, чтобы оценить ее производительность. Используйте осциллограф или сетевой анализатор для измерения полосы пропускания, обратных потерь и вносимых потерь.

Оптимизация

Внесите изменения в конструкцию, чтобы оптимизировать ее производительность. Это возможно путем регулировки пространства трассировки, ширины и длины. Также проанализируйте поведение радиочастот схем с помощью электромагнитных инструментов решения.

Как правило, проектирование РЧ-плат требует правильного и тщательного планирования. Оно также требует обширных знаний принципов проектирования РЧ. Можно создавать высокопроизводительные РЧ-схемы, следуя этим рекомендациям по проектированию и работая с соответствующими методами и инструментами.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Рекомендации по выбору материала для печатной платы ВЧ-диапазона

Ниже приведены некоторые соображения относительно материалов, которые следует учитывать при изготовлении плат ВЧ-схем.

Диэлектрическая постоянная

Диэлектрическая проницаемость описывает скорость распространения электрического сигнала в среде. Эта скорость обратно пропорциональна квадратному корню диэлектрической проницаемости. Более низкие значения диэлектрической проницаемости означают более быструю передачу сигнала.

Более того, измерение этого свойства — непростая задача. Оно связано не только с характеристиками среды, но и тесно связано с состоянием материала во время и до испытания, частотой испытания и методом испытания.

Также изменение температуры влияет на изменение диэлектрической проницаемости. Вот почему необходимо учитывать температуру при разработке некоторых материалов. Другим фактором, влияющим на диэлектрическую проницаемость, является влажность. Это связано с тем, что диэлектрическая проницаемость воды составляет 70. Даже небольшое количество воды приведет к значительным изменениям.

Лучшим материалом для высокочастотных и высокоскоростных приложений является воздушная среда с обмоткой из медной фольги. Кроме того, помимо прямого влияния на скорость передачи сигнала, диэлектрическая проницаемость в некоторой степени помогает в определении импеданса. В нескольких частях этот импеданс играет важную роль в микроволновой связи.

Поскольку диэлектрическая проницаемость обычно изменяется с изменением температуры, микроволновые материалы традиционно находятся на открытом воздухе, даже в условиях космоса.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь — еще один фактор, влияющий на электрические свойства материала РЧ-печатной платы. Другие названия тангенса угла потерь — коэффициент потерь и диэлектрические потери. Это указывает на потерю сигнала или энергии в среде. Это происходит потому, что всякий раз, когда высокочастотные сигналы проходят через среду, молекулы в этой среде подстраиваются или адаптируются, чтобы соответствовать электромагнитным сигналам.

Однако молекулы связаны поперечными связями, что делает практически невозможным их адаптацию, однако при изменении частоты бомбардировщики будут продолжать двигаться, выделяя больше тепла и приводя к потере энергии.

Кроме того, некоторые материалы, такие как ПТФЭ, обычно неполярны. Это означает, что электромагнитное поле не влияет на них и, следовательно, они испытывают минимальные потери. Кроме того, тангенс угла потерь связан с методом испытания и частотой.

Здесь есть общее правило – более высокие частоты приводят к более значительным потерям. Хорошим примером здесь является потребление электроэнергии. Когда есть небольшая потеря в конструкции схемы, может быть значительное увеличение срока службы батареи. Когда антенна принимает сигнал, она становится более чувствительной к материальным потерям, и сигнал будет более четким.

Коэффициент теплового расширения

Обозначается как CTE и показывает, как материал сжимается и расширяется при воздействии различных температур. Кроме того, это важный критерий при выборе материалов во время изготовления.

Электрическая прочность

Электрическая прочность тесно связана с диэлектрической прочностью материала, который будет использоваться в схеме. При работе с маломощными платами этот фактор может быть незначительным. Однако для мощных приложений, таких как радиочастотные печатные платы, электрическая прочность очень важна.

Температурный коэффициент

Крайне важно учитывать тепловой коэффициент материала перед выбором. В некоторых случаях небольшие изменения в значении теплового коэффициента приведут к сдвигу частотных характеристик. Поскольку печатные платы RF обычно подвергаются воздействию флуктуирующих температур, рекомендуется использовать материалы со значением теплового коэффициента ниже 50 ppm/°C.

Температура стеклования

Обозначается как Tg, это температура, при которой подложка печатной платы может перейти из стеклянного состояния в размягченное, которое может легко деформироваться. После того, как материал остывает, он возвращается в свое прежнее состояние.

Поглощение влаги

Влагопоглощение материала — это его способность ограничивать водопоглощение, особенно при погружении в воду. Обычно влагопоглощение влияет на электрические и тепловые свойства материала. Убедитесь, что вы понимаете, в какой среде будет работать плата.

Температура разложения

Температура разложения, обозначаемая как Td, означает температуру, при которой материал печатной платы RF подвергается механическому разложению. Убедитесь, что используемые материалы выдержат любую температуру, при которой плате придется работать. Это необходимо, поскольку сразу после того, как материал достигает температуры разложения, оно становится необратимым.

Компоновка печатной платы ВЧ-устройства и размещение компонентов

Платы РЧ-схем обычно более чувствительны к помехам. Вот почему конструкции РЧ-печатных плат требуют более жестких допусков. В частности, необходимо учитывать отражения, звон и шум. Это требует осторожного обращения с согласованием импеданса во время трассировки.

Кроме того, обратные пути сигнала имеют важное значение в высокочастотных цепях конструкции RF. Эти обратные токи сигнала следуют по пути наименьшего импеданса. В процессе разработки схемы RF PCB моделирование схемы становится важным для обнаружения проблемных областей и поиска решений.

Существуют отклонения от традиционных правил компоновки печатных плат, которые должны обеспечивать наиболее подходящую производительность сигнала. К ним относятся меньшие размеры контактных площадок и узкие зазоры размещения. Однако было бы полезно, если бы эти изменения вносились по мере необходимости для поддержания требуемых правил DFM, чтобы гарантировать безошибочную сборку и изготовление.

Давайте рассмотрим некоторые требования для достижения наилучшей производительности.

Размещение радиочастотных компонентов

Во время размещения компонентов блока радиочастотной схемы схема обычно требует более плотного и прочного размещения деталей. Изменение этого размещения компонентов — это один из компромиссов, который проектировщик должен тщательно контролировать, чтобы быть уверенным, что вы сможете достичь создания платы с помощью стандартного и автоматизированного оборудования для сборки. Это помогает предотвратить рост производственных затрат.

Кроме того, плата RF обычно имеет дополнительный металл на внешних слоях для использования ее сетями питания, в то время как компоненты обычно размещаются в этих областях. Хотя это соединение может отлично работать для производительности схемы RF, могут возникнуть проблемы со сборкой печатной платы.

Кроме того, во время компоновки вам может потребоваться изменить компоненты. Это может включать изменение формы и размера контактных площадок печатной платы и включение металлических форм и особенностей в печатную плату. Эти задачи выполняются индивидуально компонентами платы, а не изменением раздела базовой библиотеки. Теперь давайте рассмотрим некоторые требования к трассировке трассировки, которые могут возникнуть при проектировании РЧ-печатной платы.

Маршрутизация трассировки

Как и все высокоскоростные трассы, прямые, короткие трассы с различной шириной будут необходимы для более мощных трасс тока и трассировки с контролируемым импедансом. Ниже приведены некоторые моменты по трассировке RF, которые следует учитывать.

● Для некоторых топологий RF большую часть маршрутизации трассировки необходимо добавлять вручную.

● Создание и использование правил проектирования имеет решающее значение для успеха.

● Кроме того, функции маршрутизации, такие как копирование и вставка, могут быть важны при копировании аналогичных участков схемы.

● Отверстия обеспечивают ограждение вокруг областей заземления для экранирования

● Скошенные углы помогают уменьшить любые колебания импеданса.

Для нескольких конструкций RF некоторые области маршрутизации рассматриваются как компоненты. Маршрутизация этого типа требует инструментов, которые обеспечивают параметрическую маршрутизацию компонентов для отправки сегментов трассировки в системы анализа RF.

Кроме того, заземляющие и силовые плоскости требуют более высокой мощности в конструкциях RF и гарантируют, что тепловые рельефы будут справляться с током во время автоматизированной пайки. Кроме того, важно создавать металлические области, имеющие необычную форму для элементов RF, используя возможности черчения инструментов CAD, а затем преобразовывать эти области в интеллектуальные сетевые объекты.

Распространенные проблемы и решения при проектировании печатных плат ВЧ-устройств

Общие проблемы в RF PCB включают минимизацию веса, дегазацию, предотвращение кровотечения и согласование импеданса. Ниже приведены некоторые другие проблемы:

Сложный процесс проектирования

Для многослойных спутниковых печатных плат необходимо хранить различные компоненты отдельно. Это снижает возможные проблемы в процессе сборки. Кроме того, для печатных плат RF требуется много слоев, причем верхний слой содержит линии радиочастотных сигналов и силовой каскад. Кроме того, для платы требуются заземляющие слои под компонентами, которые имеют радиочастотные сигналы.

Шум

Радиочастотные сигналы восприимчивы к шуму и даже более чувствительны к различным типам шума, чем стандартные печатные платы. Существуют различные типы шума, включая ограниченный диапазоном, розовый или белый и дробовой, тепловой, мерцающий, фазовый и лавинный шум. Важно уменьшить шум сигнала, отражение и звон в осуществимой степени.

Широкий диапазон температур

Изменение уровня температуры — еще одна распространенная проблема, которую следует учитывать. Изменение температуры спутника может изменить свойства материала печатной платы. Проверка температурного коэффициента необходима для сравнения материалов платы и их пригодности для различных применений спутников.

Кроме того, RF PCB должны иметь возможность рассеивать тепло должным образом, особенно в небольших и узких областях. Изучите теплопроводность PCB, чтобы понять, как материал RF PCB рассеивает тепло.

Надежность

Снижение веса касается все более широкого использования многослойных печатных плат и увеличения плотности радиочастотных схем. Кроме того, надежность металлизированных сквозных отверстий для соединений между слоями стала проблемой при работе в экстремальных температурах в космосе.

Что такое СВЧ-печатная плата?

Микроволновая печатная плата — это разновидность радиочастотной печатной платы. Она специально разработана для передачи высокочастотных сигналов. Ее рабочая частота обычно превышает 1 ГГц; то есть она входит в ?микроволновый? частотный диапазон. Проще говоря, если вашей схеме необходимо передавать сигналы на очень высоких частотах, например, в спутниковой связи, базовых станциях 5G, высокоскоростных радарах или военных радиолокационных системах, то вы, скорее всего, будете использовать микроволновую печатную плату.

Печатные платы RF и СВЧ

Хотя все СВЧ-платы относятся к платам радиочастотной схемы, то есть все они используются в приложениях в диапазоне радиочастот, не каждая СВЧ-плата подходит для передачи сигнала на уровне микроволн. Например, некоторые СВЧ-платы с рабочими частотами от 100 МГц до 1 ГГц, хотя также используются в таких сценариях, как беспроводная связь и Bluetooth, не могут соответствовать более высоким требованиям СВЧ-систем к точности, контролю импеданса и стабильности материала.

Поэтому при проектировании РЧ печатной платы, особенно в диапазоне СВЧ, необходимо с самого начала выбирать соответствующие материалы РЧ печатной платы, а также строго соблюдать рекомендации по РЧ-разметке и проектированию РЧ печатной платы. Это может не только обеспечить качество передачи сигнала, но и значительно повысить общую надежность продукта.

Ниже в таблице приведены различия между ВЧ-печатными платами и СВЧ-печатными платами:

Особенность	RF PCB (радиочастотная печатная плата)	Печатная плата СВЧ
Диапазон частот	100 МГц – 1 ГГц (типичный диапазон радиочастот)	1 ГГц и выше (микроволновый диапазон, обычно используется в приложениях 3–30 ГГц)
Тип сигнала	Низкочастотные и среднечастотные радиочастотные сигналы, такие как FM, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee	Высокоскоростные, высокочастотные сигналы, такие как радиолокационные волны, связь в диапазоне миллиметровых волн, спутниковая связь
Общие материалы	Rogers 4350B, Taconic TLX, Isola FR408HR – стандартные материалы для печатных плат RF	RT/duroid? 5880, RO3003, RO4003 – специализированные материалы для печатных плат микроволнового диапазона
Свойства материала	Умеренная диэлектрическая проницаемость (Dk ≈ 3.4–4.2), умеренный коэффициент потерь (Df ≈ 0.004–0.009)	Низкий Dk (≈ 2.2–3.0), чрезвычайно низкий Df (≈ 0.0009–0.003) для минимальной потери сигнала
Структура слоев	Может быть двухслойным или многослойным; подходит для проектирования печатных плат RF общего назначения	Обычно многослойная, со строгой схемой расположения радиочастот и контролем изоляции
Сценарии приложений	Беспроводные модули, Bluetooth-устройства, радиочастотные пульты, радиочастотные трансиверы	Спутниковые системы, модули 5G mmWave, военные радары, системы аэрокосмической связи
Сложность дизайна	Относительно умеренный, со стандартными рекомендациями по проектированию ВЧ-печатных плат	Высокая сложность, требующая строгих правил компоновки ВЧ-устройств и согласования микроволнового импеданса
Стоимость и производство	Стандартные процессы печатных плат, умеренная стоимость	Сложное изготовление, жесткие допуски, более высокая стоимость из-за требований к материалам и эксплуатационным характеристикам

Понимание этих различий помогает инженерам и проектировщикам выбирать подходящий материал и тип платы для конкретного диапазона частот и области применения. Выбор между общей платой РЧ-схемы и высокопроизводительной микроволновой платой имеет решающее значение для обеспечения качества сигнала и общей надежности системы.

Выбор надежного производителя радиочастотных печатных плат

Прежде чем выбрать производителя радиочастотных печатных плат, следует учесть некоторые особенности

Опыт

Вы бы не хотели работать с компанией без опыта в производстве ВЧ печатных плат. Совершенство обычно приходит, когда есть опыт. Опытные производители используют новейшие технологии и оборудование при производстве высокочастотных печатных плат.

При наличии опыта вероятность выхода из строя РЧ-печатной платы невелика. Чтобы добиться наилучших результатов, наймите производителя, имеющего большой опыт в этой области.

Сертификация

Качество должно быть решающим фактором при выборе производителя RF PCB. Первое, что следует учитывать, — это система менеджмента качества (СМК) производителя. Минимальным требованием является сертификация по стандарту ISO 9001. Она указывает на наличие базовой СМК.

Включены рабочие инструкции, процедуры, процессы, руководства по качеству, политики качества, профилактические действия и т. д. Некоторые сертификаты помогают доказать компетентность компании. К ним относятся ISO 13485, A-610, A-600 и IPC J-STD.

Технические возможности

Крайне важно работать с производителем RF PCB с выдающимися техническими возможностями, такими как PCBasic. Эти возможности включают в себя соответствующие конструкции и выбор материалов, технологию обработки, строгий контроль качества и состояние используемого оборудования.

Справедливые цены

Прежде чем работать с производителем RF PCB, узнайте стоимость. Вы можете сделать это, изучив веб-сайты разных производителей, чтобы понять различные рыночные цены.

Заключение

Проектирование и производство РЧ печатных плат требуют соответствующего выбора материалов, правил проектирования и производственных процессов. Вот почему важно работать с надежным производителем РЧ печатных плат, таким как PCBasic.