PCB de RF: Su guía definitiva sobre PCB de radiofrecuencia

  

Las placas de circuito impreso (PCB) de radiofrecuencia (RF) se encuentran entre las áreas de mayor crecimiento en la fabricación de PCB. Funcionan con señales de alta frecuencia, especialmente las del rango de RF (radiofrecuencia).

Es importante manejar con cuidado el diseño y el enrutamiento para evitar problemas relacionados con la integridad de la señal. Esto se debe a que las PCB de RF pueden contener componentes digitales y, con un diseño cuidadoso, se pueden evitar posibles interferencias entre las señales digitales y de RF.

Este artículo explica qué es una PCB RF, sus principios de diseño, consideraciones sobre los materiales y su diseño. También analizaremos los desafíos comunes que se presentan durante el diseño de PCB RF y ofreceremos posibles consejos y soluciones. Finalmente, brindaremos consejos y factores a considerar antes de elegir el mejor fabricante de PCB RF. Continúe leyendo para profundizar en el tema.

  

  

  

   

¿Qué es una PCB de RF?

RF describe cualquier frecuencia donde se producen emisiones de ondas de radio. El rango de frecuencia de RF suele estar entre 300 kHz y 300 GHz. La principal diferencia entre una PCB de microondas y una PCB de RF es la radiofrecuencia en la que operan.

Una PCB de RF es una PCB de alta frecuencia que funciona por encima de 100 MHz, mientras que las PCB que operan a frecuencias superiores a 2 GHz se clasifican como PCB de microondas. Tanto las PCB de microondas como las de RF son esenciales para las señales de comunicación en aplicaciones que requieren la transmisión y recepción de señales de radio, como las instalaciones de radar.

Las PCB de RF utilizan materiales con alta conductividad térmica y baja pérdida dieléctrica. Para mantener la integridad de la señal, funcionan con estructuras de líneas de transmisión e impedancia controlada. Además, las PCB de RF cuentan con características de apantallamiento que ayudan a reducir la EMI (interferencia electromagnética). Esta característica también garantiza una mejor transmisión de la señal.

Las aplicaciones de las placas de circuito impreso (PCB) de RF son diversas, incluyendo sistemas de radar, equipos de microondas y sistemas de comunicación por cable. Además, estas PCB ayudan a reducir posibles problemas como interferencias, pérdidas y ruido de señal. Estos problemas pueden reducir la funcionalidad de estos circuitos de alta frecuencia.

La función principal de una PCB convencional es ofrecer conexiones eléctricas y soporte mecánico montando componentes eléctricos como condensadores, resistencias y circuitos integrados en su superficie e interconectándolos utilizando pistas de cobre.

En cambio, las placas de circuito impreso de radiofrecuencia (RF) pueden manejar señales de radiofrecuencia y alta frecuencia. A diferencia de las PCB convencionales, las PCB de RF presentan requisitos de diseño y características únicas que permiten la transmisión eficaz de señales en un rango de alta frecuencia.

Guía de aplicaciones de PCB de RF y combinación de materiales

Aplicación de RF	Materiales RF	Materiales de unión	Atributos
Aplicaciones militares y espaciales	RO4000 RT / Duroide	RO4450F RO4450B	El más eficaz en rendimiento térmico y eléctrico, así como en durabilidad ambiental.
Electrónica de consumo	RO4835 RO3010 RO3006	2929 Bondply Bondply Serie RO3000	Es rentable y tiene características térmicas y eléctricas confiables.
Médico	RO4350B	2929 Bondply RO4400 Bondply	Funciones de alto rendimiento que se adaptan a diferentes dispositivos
Industrial	RO4350B RO4835 XT / Duroid	RO4400 Bondply 2929 Bondply	Gran durabilidad y resistencia al medio ambiente.
Automóvil	RO4000 RO3003 RO4350B	RO4400 Bondply	Gran rendimiento eléctrico que se adapta a los procesos de fabricación estándar.
Aplicaciones de mayor potencia	XT / Duroid HTC 6035	Normalmente no se requiere ni se personaliza la temperatura.	Excelente gestión térmicant

Directrices básicas de diseño de PCB de RF

Es fundamental reducir el ruido, la pérdida de señal y la interferencia electromagnética (EMI) durante el diseño de PCB de RF. También es fundamental maximizar la estabilidad, la intensidad y el ancho de banda de la señal. A continuación, se presentan los principios fundamentales de diseño para PCB de RF.

Requisitos de diseño

Antes de comenzar con el diseño de PCB de RF, es fundamental determinar los requisitos de adaptación de impedancia, nivel de potencia y rango de frecuencia de la PCB. Además, es importante conocer los componentes electrónicos utilizados durante el ensamblaje de PCB.

Diseño de PCB

La colocación de los componentes de la PCB de RF debería ayudar a reducir la longitud del cable de señal. También debería aprovechar algunas vías.

Además, conecte componentes más pequeños a las piezas críticas. Recuerde que las líneas de RF deben ser cortas. Esto evita que se conecten cerca de planos de potencia de alta velocidad, trazas digitales y otras fuentes de ruido.

Toma de tierra

Debe haber un plano de tierra sólido debajo de las trazas de RF, para reducir las rutas de retorno, la radiación y la diafonía.

Adaptación de impedancia

Es fundamental utilizar líneas de transmisión de microbanda. Esto garantiza la correcta correspondencia de la impedancia de las pistas de RF con la de los conectores y componentes. Además, es necesario comprobar que el espacio y el ancho de las pistas cumplan con las tolerancias y el valor de impedancia requeridos.

blindaje

Utilice protectores de RF o conectores blindados para evitar posibles interferencias de otras fuentes y fugas de señales de RF.

Prueba

Tras completar el diseño, es fundamental probar el circuito para evaluar su rendimiento. Utilice un osciloscopio o un analizador de red para medir el ancho de banda, la pérdida de retorno y la pérdida de inserción.

Optimiza

Realice ajustes al diseño para optimizar su rendimiento. Esto es posible ajustando el espacio, el ancho y la longitud de la traza. Además, analice el comportamiento de RF de los circuitos con herramientas de solución electromagnética.

Generalmente, el diseño de PCB de RF requiere una planificación adecuada y meticulosa. También requiere un amplio conocimiento de los principios del diseño de RF. Es posible crear circuitos de RF de alto rendimiento siguiendo estas pautas de diseño y utilizando las técnicas y herramientas adecuadas.

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Consideraciones sobre el material de PCB de RF

A continuación se presentan algunas consideraciones materiales al fabricar placas de circuitos de RF.

Constante dieléctrica

La constante dieléctrica describe la velocidad de propagación de la señal eléctrica del medio. Esta velocidad es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica. Valores bajos de la constante dieléctrica indican transmisiones de señal más rápidas.

Además, medir esta propiedad no es tarea fácil. No solo se relaciona con las características del medio, sino que también está estrechamente relacionada con el estado del material durante y antes de la prueba, la frecuencia y el método de prueba.

Además, un cambio de temperatura afecta la constante dieléctrica. Por eso, es importante considerar la temperatura al desarrollar algunos materiales. Otro factor que afecta la constante dieléctrica es la humedad, ya que el valor de la constante dieléctrica del agua es 70. Incluso una pequeña cantidad de agua provocará cambios significativos.

El mejor material para aplicaciones de alta frecuencia y alta velocidad es un medio de aire recubierto de lámina de cobre. Además de afectar directamente la velocidad de transmisión de la señal, la constante dieléctrica contribuye en cierta medida a determinar la impedancia. En varios aspectos, esta impedancia desempeña un papel importante en la comunicación por microondas.

Dado que la constante dieléctrica suele cambiar con los cambios de temperatura, los materiales de microondas se encuentran tradicionalmente al aire libre, incluso en entornos espaciales.

Tangente de pérdida

La tangente de pérdida es otro factor que afecta las propiedades eléctricas de un material de PCB de RF. También se conoce como factor de pérdida y pérdida dieléctrica. Indica una pérdida de señal o energía en un medio. Esto se debe a que, cuando las señales de alta frecuencia pasan a través de un medio, las moléculas en ese medio se ajustan o adaptan para adaptarse a las señales electromagnéticas.

Sin embargo, las moléculas están reticuladas, lo que hace casi imposible adaptarse, pero con los cambios de frecuencia, los goleadores continuarán moviéndose, generarán más calor y provocarán una pérdida de energía.

Además, algunos materiales como el PTFE suelen ser apolares. Esto significa que no se ven afectados por un campo electromagnético y, por lo tanto, experimentan pérdidas mínimas. Asimismo, la tangente de pérdida se relaciona con el método de prueba y la frecuencia.

Aquí, existe una regla general: las frecuencias más altas resultan en pérdidas más significativas. Un buen ejemplo es el consumo de energía eléctrica. Cuando hay una pequeña pérdida en el diseño del circuito, puede producirse un aumento considerable en la duración de la batería. Cuando una antena recibe la señal, se vuelve más sensible a la pérdida de material y la señal es más nítida.

Coeficiente de expansión térmica

Denominado CTE, indica cómo se contrae y expande un material al ser sometido a diferentes temperaturas. Además, es un criterio esencial al elegir materiales durante la fabricación.

Resistencia eléctrica

La rigidez dieléctrica está estrechamente relacionada con la rigidez dieléctrica del material utilizado en un circuito. Al trabajar con placas de baja potencia, este factor puede no ser significativo. Sin embargo, para aplicaciones de alta potencia, como las PCB de RF, la rigidez dieléctrica es fundamental.

Coeficiente térmico

Es fundamental considerar el coeficiente térmico del material antes de elegirlo. En algunos casos, pequeños cambios en el valor del coeficiente térmico pueden provocar un cambio en la respuesta de frecuencia. Dado que las PCB de RF suelen estar expuestas a fluctuaciones de temperatura, se recomienda utilizar materiales con un coeficiente térmico inferior a 50 ppm/°C.

Temperatura de transición vítrea

Denominada Tg, es la temperatura a la que un sustrato de PCB puede pasar de su estado vítreo a uno ablandado, lo que podría deformarse fácilmente. Tras enfriarse, el material vuelve a su estado original.

Absorción de humedad

La absorción de humedad de un material es su capacidad para restringir la absorción de agua, especialmente al sumergirse en agua. Generalmente, la absorción de humedad afecta las propiedades eléctricas y térmicas del material. Asegúrese de comprender el entorno en el que funcionará la placa.

Temperatura de descomposición

La temperatura de descomposición, denominada Td, indica la temperatura a la que un material de PCB de RF experimenta descomposición mecánica. Asegúrese de que los materiales utilizados soporten la temperatura a la que la placa deba operar. Esto es necesario, ya que una vez que un material alcanza su temperatura de descomposición, esta es irreversible.

Disposición de PCB de RF y colocación de componentes

Las placas de circuito impreso de RF suelen ser más sensibles a las interferencias. Por ello, los diseños de PCB de RF requieren tolerancias más estrictas. En concreto, deben tenerse en cuenta las reflexiones, la oscilación y el ruido. Esto exige un manejo cuidadoso de la adaptación de impedancia durante el enrutamiento.

Además, las rutas de retorno de la señal son esenciales en los circuitos de alta frecuencia de un diseño de RF. Estas corrientes de retorno de la señal siguen la ruta de las impedancias más bajas. Durante el proceso de diseño de PCB de RF, la simulación del circuito cobra importancia para detectar áreas problemáticas y encontrar soluciones.

Existen desviaciones de las reglas tradicionales de diseño de PCB que deberían ofrecer el rendimiento de señal más adecuado. Estas incluyen tamaños de almohadilla más pequeños y espacios de colocación reducidos. Sin embargo, sería útil realizar estas modificaciones cuando sea necesario para mantener las reglas DFM requeridas y garantizar un ensamblaje y una fabricación sin errores.

Consideremos algunos de los requisitos para lograr el mejor rendimiento.

Colocación de componentes de RF

Durante la colocación de componentes en bloques de circuitos de RF, el circuito suele requerir una colocación más firme y apretada de las piezas. Modificar esta colocación de componentes es un compromiso que el diseñador debe gestionar cuidadosamente para garantizar la creación de la placa con equipos estándar y automatizados para el ensamblaje. Esto ayuda a prevenir el aumento de los costos de fabricación.

Además, una placa de RF suele tener metal adicional en sus capas externas para su uso en las redes de alimentación, donde los componentes suelen ubicarse. Si bien esta conexión puede ser muy eficaz para el rendimiento del circuito de RF, pueden surgir problemas de ensamblaje de la PCB.

Además, durante el diseño, es posible que sea necesario modificar los componentes. Esto podría incluir cambiar la forma y el tamaño de las almohadillas de la huella de la PCB e incorporar formas y características metálicas en la huella. Estas tareas se gestionan individualmente por los componentes de la placa, en lugar de modificar la sección de la biblioteca base. Ahora, consideremos algunos requisitos de enrutamiento de pistas que pueden entrar en juego durante el diseño de PCB de RF.

Enrutamiento de seguimiento

Como en todos los enrutamientos de alta velocidad, se requerirá un enrutamiento directo y corto con diferentes anchos para trazas de mayor potencia y enrutamiento de impedancia controlada. A continuación, se presentan algunos puntos a considerar sobre el enrutamiento de RF.

● La mayoría del enrutamiento de seguimiento debe agregarse manualmente para algunas topologías de RF

● Establecer y utilizar las reglas de diseño es vital para el éxito

● Además, las funciones de enrutamiento como copiar y pegar podrían ser importantes al replicar áreas de circuitos similares.

● Las vías proporcionan una protección alrededor de las áreas del plano de tierra para protegerlas.

● Las esquinas ingleteadas ayudan a reducir cualquier fluctuación de impedancia

En varios diseños de RF, algunas áreas de enrutamiento se consideran componentes. Este tipo de enrutamiento requiere herramientas que permitan el enrutamiento paramétrico de componentes para enviar los segmentos de traza a los sistemas de análisis de RF.

Además, los planos de tierra y potencia requieren mayor potencia en los diseños de RF y garantizan que los alivios térmicos gestionen la corriente durante la soldadura automatizada. Asimismo, es esencial crear áreas metálicas con formas irregulares para los elementos de RF, utilizando las funciones de dibujo de las herramientas CAD y luego convirtiendo estas áreas en objetos de red inteligentes.

Desafíos y soluciones comunes durante el diseño de PCB RF

Los desafíos comunes en las PCB de RF incluyen la minimización del peso, la desgasificación, la prevención de fugas y la adaptación de impedancia. A continuación, se presentan otros desafíos:

Proceso de diseño difícil

En las PCB satélite multicapa, es necesario separar los componentes. Esto reduce la posibilidad de problemas durante el ensamblaje. Además, las PCB RF requieren varias capas, y la capa superior incluye líneas de señal RF y una etapa de potencia. Además, la placa requiere capas de tierra debajo de los componentes que emiten señales RF.

Ruido

Las señales de RF son susceptibles al ruido e incluso más sensibles a diferentes tipos de ruido que las PCB estándar. Existen diferentes tipos de ruido, como el limitado por banda, el rosa o blanco y el ruido de disparo, el térmico, el parpadeo, el de fase y el de avalancha. Es importante reducir el ruido de la señal, la reflexión y el zumbido al máximo.

Amplio rango de temperatura

Un cambio en el nivel de temperatura es otro desafío común a considerar. Cambiar la temperatura de un satélite podría alterar las características del material de la PCB. Verificar el coeficiente de temperatura es necesario para comparar los materiales de la placa y su idoneidad para diversas aplicaciones satelitales.

Además, las PCB de RF deben disipar el calor adecuadamente, especialmente en espacios pequeños y estrechos. Analice la conductividad térmica de la PCB para comprender cómo el material de la PCB de RF disipa el calor.

Fiabilidad

La reducción de peso se debe al creciente uso de placas de circuitos multicapa y a una mayor densidad de circuitos de radiofrecuencia. Además, la fiabilidad de los orificios pasantes para las interconexiones entre las capas se ha convertido en una preocupación al operar en temperaturas extremas en el espacio.

¿Qué es una PCB de microondas?

La PCB de microondas es un tipo de PCB de RF. Está especialmente diseñada para la transmisión de señales de alta frecuencia. Su frecuencia de operación suele ser superior a 1 GHz; es decir, entra en la banda de frecuencias de microondas. En resumen, si su circuito necesita transmitir señales a frecuencias muy altas, como en comunicaciones por satélite, estaciones base 5G, radares de alta velocidad o sistemas de radar militares, es probable que utilice una PCB de microondas.

PCB de RF frente a microondas

Aunque todas las PCB de microondas pertenecen a las placas de circuito impreso de RF, es decir, se utilizan en aplicaciones dentro del rango de radiofrecuencia, no todas las PCB de RF son aptas para la transmisión de señales a nivel de microondas. Por ejemplo, algunas PCB de RF con frecuencias de operación de entre 100 MHz y 1 GHz, aunque también se utilizan en escenarios como la comunicación inalámbrica y Bluetooth, no cumplen con los altos requisitos de precisión, control de impedancia y estabilidad del material de los sistemas de microondas.

Por lo tanto, al diseñar PCB de RF, especialmente en la banda de frecuencia de microondas, es fundamental seleccionar los materiales adecuados desde el principio y seguir rigurosas directrices de diseño de PCB de RF. Esto no solo garantiza la calidad de transmisión de la señal, sino que también mejora significativamente la fiabilidad general del producto.

Aquí repasaremos las diferencias entre las PCB de RF y las PCB de microondas en una tabla:

Feature	PCB de radiofrecuencia (RF)	PCB de microondas
Rango de frecuencia	100 MHz – 1 GHz (rango de RF típico)	1 GHz y superior (rango de microondas, comúnmente utilizado en aplicaciones de 3 a 30 GHz)
Tipo de señal	Señales de RF de frecuencia baja a media como FM, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee	Señales de alta velocidad y alta frecuencia, como ondas de radar, comunicaciones de ondas milimétricas y enlaces satelitales.
Materiales Comunes	Rogers 4350B, Taconic TLX, Isola FR408HR: materiales estándar para PCB RF	RT/duroid® 5880, RO3003, RO4003: materiales especializados para PCB de microondas
Propiedades materiales	Constante dieléctrica moderada (Dk ≈ 3.4–4.2), factor de pérdida moderado (Df ≈ 0.004–0.009)	Dk bajo (≈ 2.2–3.0), Df extremadamente bajo (≈ 0.0009–0.003) para una pérdida de señal mínima
Estructura de la capa	Puede ser de 2 capas o multicapa; adecuado para diseño general de PCB RF	Generalmente multicapa con diseño de RF estricto y control de aislamiento
Escenarios de aplicación	Módulos inalámbricos, dispositivos Bluetooth, controles remotos RF, transceptores RF	Sistemas satelitales, módulos 5G mmWave, radares militares, sistemas de comunicación aeroespacial
Complejidad del diseño	Relativamente moderado, con pautas de diseño de PCB RF estándar	Alta complejidad, que requiere pautas estrictas de diseño de RF y adaptación de impedancia de microondas
Costo y fabricación	Procesos de PCB estándar, costo moderado	Fabricación compleja, tolerancia estricta, mayor costo debido a los requisitos de material y rendimiento.

Comprender estas diferencias ayuda a los ingenieros y diseñadores a seleccionar el material y el tipo de placa de circuito impreso (PCB) de RF adecuados para su rango de frecuencia y aplicación específicos. Elegir entre una placa de circuito impreso (PCB) de RF general y una PCB de microondas de alto rendimiento es fundamental para garantizar la calidad de la señal y la fiabilidad general del sistema.

Cómo elegir un fabricante confiable de PCB RF

Antes de elegir un fabricante de PCB RF, hay algunas características a tener en cuenta

Experiencia

No querrá trabajar con una empresa sin experiencia en la fabricación de PCB de RF. La perfección suele surgir con la experiencia. Los fabricantes experimentados utilizan tecnologías y maquinaria de vanguardia en la fabricación de PCB de alta frecuencia.

Con experiencia, la probabilidad de fallo de la PCB de RF es baja. Para obtener los mejores resultados, contrate a un fabricante con amplia experiencia en el sector.

LEED

La calidad debe ser un factor crucial a la hora de elegir un fabricante de PCB RF. Lo primero que hay que considerar es el sistema de gestión de calidad (SGC) del fabricante. El requisito mínimo es la certificación ISO 9001, que indica la existencia de un SGC básico.

Se incluyen instrucciones de trabajo, procedimientos, procesos, manuales de calidad, políticas de calidad, acciones preventivas, etc. Algunas certificaciones ayudan a demostrar la competencia de una empresa. Entre ellas se encuentran las normas ISO 13485, A-610, A-600 e IPC J-STD.

Capacidades técnicas

Es fundamental trabajar con un fabricante de PCB RF con capacidades técnicas excepcionales como PCBasic. Estas capacidades incluyen diseños y selección de materiales adecuados, tecnología de procesamiento, un estricto control de calidad y el estado de los equipos utilizados.

Precios justos

Antes de contratar a un fabricante de PCB RF, infórmese sobre el costo. Puede averiguarlo consultando los sitios web de diferentes fabricantes para comprender los diferentes precios del mercado.

Conclusión

El diseño y la fabricación de PCB RF requieren la selección de materiales, las normas de diseño y los procesos de fabricación adecuados. Por eso es importante trabajar con un fabricante de PCB RF confiable como PCBasic.