RF PCB: Váš dokonalý průvodce rádiovými deskami plošných spojů

  

RF desky plošných spojů neboli desky plošných spojů s vysokofrekvenční frekvencí patří mezi nejrychleji rostoucí oblasti výroby desek plošných spojů. Fungují s vysokofrekvenčními signály, zejména s těmi v rozsahu RF (vysokofrekvenční).

Je důležité pečlivě zacházet s rozvržením a směrováním, aby se předešlo problémům s integritou signálu. Je to proto, že rozvržení desek plošných spojů pro rádiové sítě může obsahovat digitální součástky a při pečlivém rozvržení by se mohlo zabránit možnému rušení mezi digitálními a rádiovými signály.

Tento článek vysvětluje, co je RF PCB, principy jejího návrhu, materiálové aspekty a návrh rozvržení. Také se budeme zabývat běžnými problémy, kterým čelí při návrhu RF PCB, a poskytneme možné tipy a řešení. Nakonec poskytneme tipy a faktory, které je třeba zvážit před výběrem nejlepšího výrobce RF PCB. Zůstaňte prosím na této stránce, abychom si toto téma dále vysvětlili.

  

  

  

   

Co je RF PCB?

RF popisuje jakoukoli frekvenci, na které dochází k vyzařování rádiových vln. Frekvenční rozsah RF obvykle spadá do rozmezí 300 kHz až 300 GHz. Hlavní rozdíl mezi mikrovlnnou deskou plošných spojů a RF deskou plošných spojů je rádiová frekvence, na které pracují.

VF deska plošných spojů (PCB) je vysokofrekvenční deska plošných spojů, která funguje na frekvenci nad 100 MHz, zatímco desky plošných spojů pracující na frekvencích vyšších než 2 GHz se kategorizují jako mikrovlnné desky plošných spojů. Jak mikrovlnné, tak i VF desky plošných spojů jsou nezbytné pro komunikační signály v aplikacích vyžadujících přenos a příjem rádiových signálů, např. v radarových instalacích.

RF desky plošných spojů (PCB) používají materiály s vysokou tepelnou vodivostí a nízkými dielektrickými ztrátami. Pro zachování integrity signálu fungují se strukturami přenosových vedení a řízenou impedancí. RF desky plošných spojů mají navíc stínicí prvky, které pomáhají snižovat EMI (elektromagnetické rušení). Tato funkce také zajišťuje lepší přenos signálu.

Aplikace vysokofrekvenčních desek plošných spojů jsou rozmanité. Patří mezi ně radarové systémy, mikrovlnná zařízení a drátové komunikační systémy. Tyto desky plošných spojů také pomáhají snižovat možné problémy, jako je rušení signálu, ztráta signálu a šum. Tyto problémy mohou omezit funkčnost těchto vysokofrekvenčních obvodů.

Primární funkcí konvenční desky plošných spojů (PCB) je poskytovat elektrická spojení a mechanickou oporu montáží elektrických součástek, jako jsou kondenzátory, rezistory a integrované obvody, na její povrch a jejich propojením pomocí měděných vodičů.

Naproti tomu RF desky plošných spojů zvládají rádiové a vysokofrekvenční signály. Ve srovnání s konvenčními deskami plošných spojů mají RF desky plošných spojů jedinečné konstrukční požadavky a vlastnosti, které umožňují efektivní přenos signálů ve vysokofrekvenčním rozsahu.

Průvodce aplikacemi RF PCB a párováním materiálů

RF aplikace	RF materiály	Lepicí materiály	Atributy
Vojenské a vesmírné aplikace	RO4000 RT/Duroid	RO4450F RO4450B	Nejúčinnější z hlediska tepelných a elektrických vlastností a také odolnosti vůči vlivům prostředí
Consumer Electronics	RO4835 RO3010 RO3006	2929 Bonply Bondply Řada RO3000	Je ziskový a má spolehlivé tepelné a elektrické vlastnosti.
Zdravotnictví	RO4350B	2929 Bondply RO4400 Bondply	Vysoce výkonné funkce, které vyhovují různým zařízením
Průmysl	RO4350B RO4835 XT/Duroid	RO4400 Bondply 2929 Bondply	Velká trvanlivost a odolnost vůči vlivům prostředí
Automobilový průmysl	RO4000 RO3003 RO4350B	RO4400 Bondply	Vynikající elektrický výkon, který vyhovuje standardním výrobním procesům
Aplikace s vyšším výkonem	XT/Duroid 6035HTC	Obvykle se nevyžaduje ani se nepoužívají termoizolační prvky	Vynikající tepelná regulacent

Základní pokyny pro návrh RF desek plošných spojů

Během návrhu RF desek plošných spojů je nezbytné snížit šum, ztráty signálu a elektromagnetické rušení (EMI). Je také nezbytné maximalizovat stabilitu signálu, jeho sílu a šířku pásma. Zde jsou hlavní principy návrhu RF desek plošných spojů.

Požadavky na design

Než začnete s návrhem RF PCB, je zásadní určit požadavky na impedanční přizpůsobení, úroveň výkonu a frekvenční rozsah desky. Také je důležité znát elektronické součástky použité během osazování desek plošných spojů (PCBBA).

Rozvržení plošných spojů

Umístění RF komponentů na desce plošných spojů by mělo pomoci zkrátit délku signálového vodiče. Mělo by se také využít několik propojovacích otvorů.

Kromě toho připojte menší součástky k důležitým částem. Nezapomeňte, že VF vedení by měla být krátká. Tím se zabrání jejich vedení v blízkosti vysokorychlostních napájecích rovin, digitálních tras a dalších zdrojů šumu.

Základy

Pod VF stopami by měla být pevná zemnící rovina, aby se snížily zpětné cesty, vyzařování a přeslechy.

Impedanční přizpůsobení

Je nezbytné používat mikropáskové přenosové linky. To zajišťuje správné přizpůsobení impedance vysokofrekvenčních drah s impedancí konektorů a součástek. Také se ujistěte, že vzdálenost a šířka drah splňují požadované tolerance a hodnoty impedance.

Stínění

Používejte stínění VF nebo stíněné konektory, abyste zabránili možnému rušení z jiných zdrojů a úniku VF signálu.

test

Po dokončení návrhu je nezbytné otestovat obvod a vyhodnotit jeho výkon. Pomocí osciloskopu nebo analyzátoru sítě změřte šířku pásma, odrazový útlum a vložený útlum.

Optimalizace

Provádějte úpravy návrhu pro optimalizaci jeho výkonu. To je možné úpravou vzdálenosti tras, šířky a délky. Analyzujte také chování obvodů na rádiových vlnách pomocí nástrojů pro elektromagnetická řešení.

Návrh RF desek plošných spojů obecně vyžaduje řádné a pečlivé plánování. Vyžaduje také rozsáhlou znalost principů návrhu RF obvodů. Dodržováním těchto návrhových pokynů a používáním vhodných technik a nástrojů je možné vytvářet vysoce výkonné RF obvody.

O PCBasicu

Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.

Úvahy o materiálech RF PCB

Níže jsou uvedeny některé aspekty materiálů, které je třeba zvážit při výrobě desek plošných spojů s vysokou frekvencí (RF).

Dielektrická konstanta

Dielektrická konstanta popisuje rychlost šíření elektrického signálu v médiu. Tato rychlost je nepřímo úměrná druhé odmocnině dielektrické konstanty. Nižší hodnoty dielektrické konstanty znamenají rychlejší přenos signálu.

Měření této vlastnosti navíc není snadný úkol. Nesouvisí pouze s vlastnostmi média, ale úzce souvisí se stavem materiálu během zkoušky a před ní, s frekvencí zkoušky a s použitou zkušební metodou.

Změna teploty také ovlivňuje změnu dielektrické konstanty. Proto je nutné při vývoji některých materiálů zohlednit teplotu. Dalším faktorem, který ovlivňuje dielektrickou konstantu, je vlhkost. Je to proto, že hodnota dielektrické konstanty vody je 70. I malé množství vody vede k významným změnám.

Nejlepším materiálem pro vysokofrekvenční a vysokorychlostní aplikace je vzduchové médium s měděnou fólií. Kromě přímého ovlivnění rychlosti přenosu signálu také dielektrická konstanta do určité míry pomáhá při určování impedance. V několika ohledech hraje tato impedance významnou roli v mikrovlnné komunikaci.

Protože se dielektrická konstanta obvykle mění se změnou teploty, mikrovlnné materiály se tradičně používají venku, a to i ve vesmírném prostředí.

Ztrátová tangenta

Ztrátový tangens je dalším faktorem, který ovlivňuje elektrické vlastnosti materiálu VF desky plošných spojů. Další názvy pro ztrátový tangens jsou ztrátový činitel a dielektrické ztráty. Ten indikuje ztrátu signálu nebo energie v médiu. Je to proto, že kdykoli vysokofrekvenční signály procházejí médiem, molekuly v tomto médiu se přizpůsobí elektromagnetickým signálům.

Molekuly jsou však zesítěné, což je téměř nemožné se jim přizpůsobit, ale se změnami frekvence se bodovací články budou dále pohybovat, generovat více tepla a vést ke ztrátě energie.

Některé materiály, jako například PTFE, jsou navíc obvykle nepolární. To znamená, že je elektromagnetické pole neovlivňuje, a proto dochází k minimálním ztrátám. Tangens ztráty také souvisí s metodou testování a frekvencí.

Zde platí obecné pravidlo – vyšší frekvence vedou k výraznějším ztrátám. Dobrým příkladem je spotřeba elektrické energie. Pokud dojde k mírné ztrátě v návrhu obvodu, může dojít k masivnímu prodloužení životnosti baterie. Když anténa přijímá signál, stává se citlivější na ztráty materiálu a signál je čistší.

Součinitel tepelné roztažnosti

Označuje se jako CTE a udává, jak se materiál smršťuje a roztahuje při vystavení různým teplotám. Kromě toho je základním kritériem při výběru materiálů během výroby.

Elektrická pevnost

Elektrická pevnost úzce souvisí s dielektrickou pevností materiálu, který se má v obvodu použít. Při práci s deskami s nízkým příkonem nemusí být tento faktor významný. Pro aplikace s vysokým příkonem, jako jsou například vysokofrekvenční desky plošných spojů, je však elektrická pevnost velmi důležitá.

Tepelný koeficient

Před výběrem je zásadní zvážit tepelný koeficient materiálu. V některých případech i malé změny hodnoty tepelného koeficientu způsobí posun frekvenčních charakteristik. Protože jsou VF desky plošných spojů obvykle vystaveny kolísavým teplotám, je vhodné používat materiály s hodnotou tepelného koeficientu pod 50 ppm/°C.

Teplota skelného přechodu

Označuje se Tg a je to teplota, při které se substrát desky plošných spojů může změnit ze skelného stavu do změklého stavu, který se snadno deformuje. Po ochlazení se materiál vrátí do svého původního stavu.

Absorpce vlhkosti

Absorpce vlhkosti materiálu je jeho schopnost omezit absorpci vody, zejména při vložení do vody. Absorpce vlhkosti obvykle ovlivňuje elektrické a tepelné vlastnosti materiálu. Ujistěte se, že rozumíte prostředí, v němž bude deska pracovat.

Teplota rozkladu

Teplota rozkladu, označovaná jako Td, udává teplotu, při které dochází k mechanickému rozkladu materiálu RF PCB. Ujistěte se, že použité materiály vydrží jakoukoli teplotu, při které bude deska muset pracovat. To je nezbytné, protože ihned po dosažení teploty rozkladu materiálu je tento proces nevratný.

Rozvržení RF PCB a umístění součástek

VF desky plošných spojů jsou obvykle citlivější na rušení. Proto návrhy VF desek plošných spojů vyžadují přísnější tolerance. Konkrétně je třeba zohlednit odrazy, zvonění a šum. To vyžaduje opatrné zacházení s impedančním přizpůsobením během trasování.

Dále jsou signálové zpětné cesty nezbytné ve vysokofrekvenčních obvodech RF návrhu. Tyto signálové zpětné proudy sledují trasu s nejnižšími impedancemi. Během procesu návrhu RF desek plošných spojů je simulace obvodů důležitá pro odhalení problémových oblastí a nalezení řešení.

Existují odchylky od tradičních pravidel pro rozvržení desek plošných spojů, která by měla zajistit nejvhodnější signálový výkon. Patří mezi ně menší velikosti kontaktních plošek a malé mezery mezi nimi. Bylo by však vhodné, kdyby se tyto úpravy provedly v případě potřeby, aby byla zachována požadovaná pravidla DFM a byla zajištěna bezchybná montáž a výroba.

Pojďme se podívat na některé požadavky pro dosažení nejlepšího výkonu.

Umístění RF součástek

Během osazování součástek bloků RF obvodů obvykle vyžaduje obvod těsnější a pevnější umístění součástek. Úprava tohoto umístění součástek je jedním z kompromisů, které musí konstruktér pečlivě zvážit, aby se ujistil, že je možné desku vytvořit pomocí standardního a automatizovaného zařízení pro montáž. To pomáhá zabránit nárůstu výrobních nákladů.

Kromě toho má RF deska obvykle na svých vnějších vrstvách další kov pro použití v napájecích sítích, zatímco součástky jsou obvykle umístěny v těchto oblastech. I když toto spojení může být skvělé pro výkon RF obvodů, mohou nastat problémy s osazováním plošných spojů.

Během návrhu může být také nutné upravit součástky. Může se jednat o změnu tvaru a velikosti plošek na deske plošných spojů a začlenění kovových tvarů a prvků do desky. Tyto úkoly jsou řešeny individuálně součástkami desky, nikoli změnou sekce základní knihovny. Nyní se podívejme na některé požadavky na směrování tras, které mohou vzniknout během návrhu RF desek plošných spojů.

Trasování směrování

Stejně jako u všech vysokorychlostních tras bude pro trasy s vyšším proudovým výkonem a trasy s řízenou impedancí nutné přímé, krátké trasování s různou šířkou. Níže uvádíme několik bodů týkajících se VF trasování, které je třeba zvážit.

● Většinu trasování je nutné u některých RF topologií přidat ručně.

● Nastavení a používání pravidel návrhu je pro úspěch zásadní

● Také funkce směrování, jako je kopírování a vkládání, mohou být důležité při replikaci podobných oblastí obvodů

● Průchodky poskytují oplocení kolem zemní roviny pro stínění

● Zkosené rohy pomáhají snížit kolísání impedance

U několika návrhů RF jsou některé oblasti trasování považovány za komponenty. Trasování tohoto typu vyžaduje nástroje, které umožňují parametrické trasování komponent pro odesílání segmentů trasování do systémů pro analýzu RF.

Kromě toho zemnící a napájecí roviny vyžadují v RF návrzích vyšší výkon a zajišťují, aby tepelné odlehčení zvládlo proud během automatického pájení. Je také nezbytné vytvořit kovové oblasti neobvyklého tvaru pro RF prvky, využít kreslicí schopnosti vašich CAD nástrojů a následně tyto oblasti převést na inteligentní síťové objekty.

Běžné problémy a řešení během návrhu RF desek plošných spojů

Mezi běžné problémy u RF desek plošných spojů patří minimalizace hmotnosti, odplyňování, prevence krvácení a přizpůsobení impedance. Níže uvádíme některé další problémy:

Obtížný proces návrhu

U vícevrstvých satelitních desek plošných spojů je nutné uchovávat různé součástky odděleně. To snižuje možné problémy během procesu montáže. VF desky plošných spojů navíc vyžadují mnoho vrstev, přičemž horní vrstva obsahuje VF signálové vodiče a napájecí stupeň. Deska také vyžaduje zemnící vrstvy pod součástkami, které přenášejí VF signály.

Hluk

VF signály jsou náchylné k šumu a ještě citlivější na různé typy šumu než standardní desky plošných spojů. Existují různé typy šumu, včetně pásmově omezeného, ​​růžového nebo bílého a výstřelového, tepelného, ​​mihotavého, fázového a lavinového šumu. Důležité je snížit šum signálu, odrazy a zvonění na proveditelnou míru.

Široký rozsah teplot

Změna teploty je dalším častým problémem, který je třeba zvážit. Změna teploty satelitu by mohla změnit materiálové vlastnosti desky plošných spojů. Kontrola teplotního koeficientu je nezbytná pro porovnání materiálů desek a jejich vhodnosti pro různé aplikace v satelitech.

Dále musí být RF desky plošných spojů schopny správně odvádět teplo, zejména v malých a stísněných prostorech. Pro pochopení způsobu, jakým materiál RF desek plošných spojů odvádí teplo, se podívejte na tepelnou vodivost desek plošných spojů.

Spolehlivost

Snížení hmotnosti se týká rostoucího používání vícevrstvých desek plošných spojů a zvýšené hustoty vysokofrekvenčních obvodů. Kromě toho se spolehlivost pokovených průchozích otvorů pro propojení mezi vrstvami stala problémem při provozu v extrémních teplotách ve vesmíru.

Co je mikrovlnná deska plošných spojů?

Mikrovlnná deska plošných spojů (PCB) je druh RF PCB. Je speciálně navržena pro přenos vysokofrekvenčních signálů. Její provozní frekvence je obvykle vyšší než 1 GHz, to znamená, že vstupuje do „mikrovlnného“ frekvenčního pásma. Jednoduše řečeno, pokud váš obvod potřebuje přenášet signály na velmi vysokých frekvencích, například v satelitní komunikaci, základnových stanicích 5G, vysokorychlostních radarech nebo vojenských radarových systémech, pak pravděpodobně používáte mikrovlnnou desku plošných spojů.

RF vs. mikrovlnné desky plošných spojů

Přestože všechny mikrovlnné desky plošných spojů patří mezi vysokofrekvenční plošné spoje, tj. všechny se používají v aplikacích v rádiovém frekvenčním rozsahu, ne každá vysokofrekvenční deska plošných spojů je schopna přenosu signálu na mikrovlnné úrovni. Například některé vysokofrekvenční desky plošných spojů s provozními frekvencemi od 100 MHz do 1 GHz, ačkoli se používají i v situacích, jako je bezdrátová komunikace a Bluetooth, nemohou splňovat vyšší požadavky mikrovlnných systémů na přesnost, řízení impedance a materiálovou stabilitu.

Proto je při návrhu RF desek plošných spojů, zejména pokud jde o mikrovlnné frekvenční pásmo, nutné od samého začátku vybrat vhodné materiály pro RF desky plošných spojů a dodržovat přísné pokyny pro rozvržení a návrh RF desek plošných spojů. To může nejen zajistit kvalitu přenosu signálu, ale také výrazně zlepšit celkovou spolehlivost produktu.

Zde si v tabulce probereme rozdíly mezi RF a mikrovlnnými deskami plošných spojů:

vlastnost	RF PCB (deska plošných spojů s rádiovou frekvencí)	Mikrovlnná deska plošných spojů
Frekvenční rozsah	100 MHz – 1 GHz (typický RF rozsah)	1 GHz a výše (mikrovlnný rozsah, běžně používaný v aplikacích 3–30 GHz)
Typ signálu	Nízkofrekvenční až středněfrekvenční RF signály, jako jsou FM, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee	Vysokorychlostní, vysokofrekvenční signály, jako jsou radarové vlny, milimetrová vlnová komunikace, satelitní spojení
Běžné materiály	Rogers 4350B, Taconic TLX, Isola FR408HR – standardní materiály pro plošné spoje pro vysokofrekvenční technologie	RT/duroid® 5880, RO3003, RO4003 – specializované materiály pro mikrovlnné desky plošných spojů
Vlastnosti materiálu	Střední dielektrická konstanta (Dk ≈ 3.4–4.2), střední ztrátový činitel (Df ≈ 0.004–0.009)	Nízké Dk (≈ 2.2–3.0), extrémně nízké Df (≈ 0.0009–0.003) pro minimální ztrátu signálu
Struktura vrstev	Může být dvouvrstvý nebo vícevrstvý; vhodný pro obecný návrh RF desek plošných spojů	Typicky vícevrstvé s přísným uspořádáním RF a kontrolou izolace
Aplikační scénáře	Bezdrátové moduly, zařízení Bluetooth, RF dálkové ovladače, RF transceivery	Satelitní systémy, 5G mmWave moduly, vojenský radar, letecké komunikační systémy
Složitost designu	Relativně mírný, se standardními pokyny pro návrh RF desek plošných spojů	Vysoká složitost, vyžadující přísné pokyny pro rozvržení RF a přizpůsobení impedance mikrovln
Náklady a výroba	Standardní procesy výroby desek plošných spojů, mírné náklady	Složitá výroba, přesné tolerance, vyšší náklady kvůli požadavkům na materiál a výkon

Pochopení těchto rozdílů pomáhá inženýrům a návrhářům vybrat vhodný materiál a typ desky plošných spojů pro rádiové technologie (RF) pro jejich specifický frekvenční rozsah a aplikaci. Výběr mezi obecnou RF deskou plošných spojů a vysoce výkonnou mikrovlnnou deskou plošných spojů je zásadní pro zajištění kvality signálu a celkové spolehlivosti systému.

Výběr spolehlivého výrobce RF desek plošných spojů

Než si vyberete výrobce RF PCB, je třeba zvážit několik vlastností

Experience

Nechtěli byste spolupracovat s firmou bez zkušeností s výrobou RF desek plošných spojů. Dokonalost obvykle přichází se zkušenostmi. Zkušení výrobci používají při výrobě vysokofrekvenčních desek plošných spojů nejnovější technologie a stroje.

Se zkušenostmi je pravděpodobnost selhání RF PCB nízká. Pro dosažení nejlepších výsledků si najměte výrobce, který má v oboru rozsáhlé zkušenosti.

Osvědčení

Kvalita by měla být klíčovým faktorem při výběru výrobce RF desek plošných spojů. První věcí, kterou je třeba zvážit, je systém řízení jakosti (QMS) výrobce. Minimálním požadavkem je certifikace ISO 9001. Ta indikuje existenci základního systému řízení jakosti.

Zahrnuty jsou pracovní pokyny, postupy, procesy, manuály kvality, zásady kvality, preventivní opatření atd. Některé certifikace pomáhají prokázat kompetenci společnosti. Patří mezi ně ISO 13485, A-610, A-600 a IPC J-STD.

Technické schopnosti

Je nezbytné spolupracovat s výrobcem RF desek plošných spojů s vynikajícími technickými schopnostmi, jako je PCBasic. Mezi tyto schopnosti patří vhodné návrhy a výběr materiálů, technologie zpracování, přísná kontrola kvality a stav použitého zařízení.

Spravedlivé ceny

Než začnete spolupracovat s výrobcem RF desek plošných spojů, zjistěte si cenu. Toho můžete dosáhnout prohlídkou webových stránek různých výrobců, abyste pochopili různé tržní ceny.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Návrh a výroba RF desek plošných spojů vyžaduje vhodný výběr materiálů, konstrukční pravidla a výrobní procesy. Proto je důležité spolupracovat se spolehlivým výrobcem RF desek plošných spojů, jako je PCBasic.