PCB RF: la tua guida definitiva ai PCB a radiofrequenza

  

I PCB RF, o circuiti stampati a radiofrequenza, sono tra i settori in più rapida crescita nella produzione di PCB. Funzionano con segnali ad alta frequenza, in particolare quelli nella gamma RF (radiofrequenza).

È importante gestire attentamente il layout e il routing per prevenire problemi legati all'integrità del segnale. Questo perché i layout dei PCB RF potrebbero contenere componenti digitali e, con un layout accurato, potrebbero prevenire possibili interferenze tra i segnali digitali e RF.

Questo articolo spiega cos'è un PCB RF, i suoi principi di progettazione, le considerazioni sui materiali e la progettazione del layout. Discuteremo anche le sfide più comuni durante la progettazione di PCB RF e forniremo possibili suggerimenti e soluzioni. Infine, forniremo suggerimenti e fattori da considerare prima di scegliere il miglior produttore di PCB RF. Vi invitiamo a rimanere su questa pagina per ulteriori approfondimenti sull'argomento.

  

  

  

   

Cos'è un PCB RF?

RF descrive qualsiasi frequenza in cui si verificano emissioni di onde radio. L'intervallo di frequenza RF è solitamente compreso tra 300 kHz e 300 GHz. La principale differenza tra un PCB a microonde e un PCB RF è la radiofrequenza a cui operano.

Un PCB RF è un PCB ad alta frequenza che funziona oltre i 100 MHz, mentre i PCB che operano a frequenze superiori a 2 GHz sono classificati come PCB a microonde. Sia i PCB a microonde che quelli RF sono essenziali per i segnali di comunicazione in applicazioni che richiedono la trasmissione e la ricezione di segnali radio, come le installazioni radar.

I PCB RF utilizzano materiali ad alta conduttività termica e bassa perdita dielettrica. Per mantenere l'integrità del segnale, utilizzano strutture di linee di trasmissione e impedenza controllata. Inoltre, i PCB RF presentano caratteristiche di schermatura che contribuiscono a ridurre le EMI (interferenze elettromagnetiche). Questa caratteristica garantisce anche una migliore trasmissione del segnale.

Le applicazioni dei circuiti stampati RF sono molteplici. Tra queste, sistemi radar, apparecchiature a microonde e sistemi di comunicazione via cavo. Inoltre, questi PCB contribuiscono a ridurre possibili problemi come interferenze, perdite di segnale e rumore. Tali problemi possono compromettere la funzionalità di questi circuiti ad alta frequenza.

La funzione principale di un PCB convenzionale è quella di offrire connessioni elettriche e supporto meccanico montando sulla sua superficie componenti elettrici come condensatori, resistori e circuiti integrati e interconnettendoli tramite tracce di rame.

Al contrario, i circuiti stampati RF possono gestire segnali a radiofrequenza e ad alta frequenza. Rispetto ai PCB convenzionali, i PCB RF presentano requisiti di progettazione e caratteristiche uniche che consentono una trasmissione efficace dei segnali in un intervallo di alta frequenza.

Guida alle applicazioni e all'abbinamento dei materiali dei PCB RF

Applicazione RF	Materiali RF	Materiali di fissaggio	Attributi
Applicazioni militari e spaziali	RO4000 RT/Duroide	RO4450F RO4450B	Il più efficace in termini di prestazioni termiche ed elettriche nonché di durabilità ambientale
Elettronica di consumo	RO4835 RO3010 RO3006	2929 Bondply Bondply Serie RO3000	È redditizio e ha caratteristiche termiche ed elettriche affidabili
Medicale	RO4350B	2929 Bondply RO4400 Bondply	Funzionalità ad alte prestazioni adatte a diversi dispositivi
Industria	RO4350B RO4835 XT/Duroid	RO4400 Bondply 2929 Bondply	Grande durata e resistenza ambientale
Automotive	RO4000 RO3003 RO4350B	RO4400 Bondply	Ottime prestazioni elettriche adatte ai processi di produzione standard
Applicazioni ad alta potenza	XT/Duroid 6035HTC	In genere non richiesto o termico personalizzato	Ottima gestione termicant

Linee guida per la progettazione di PCB RF Core

È essenziale ridurre il rumore, la perdita di segnale e le interferenze elettromagnetiche (EMI) durante la progettazione di PCB RF. È inoltre essenziale massimizzare la stabilità, la potenza e la larghezza di banda del segnale. Ecco i principi fondamentali della progettazione di PCB RF.

Requisiti di progettazione

Prima di iniziare la progettazione del PCB RF, è fondamentale determinare l'adattamento di impedenza, il livello di potenza e i requisiti di intervallo di frequenza del PCB. È inoltre importante conoscere i componenti elettronici utilizzati durante l'assemblaggio del PCB (PCB).

Layout del PCB

Il posizionamento dei componenti RF sul PCB dovrebbe contribuire a ridurre la lunghezza del cavo del segnale. Dovrebbe anche consentire l'utilizzo di alcuni fori di via.

Inoltre, collegate i componenti più piccoli alle parti critiche. Ricordate che le linee RF devono essere corte. Questo evita di instradarle vicino a piani di potenza ad alta velocità, tracce digitali e altre fonti di rumore.

messa a terra

Dovrebbe esserci un piano di massa solido sotto le tracce RF, per ridurre i percorsi di ritorno, le radiazioni e la diafonia.

Adattamento di impedenza

È fondamentale utilizzare linee di trasmissione a microstrip. Ciò garantisce il corretto adattamento dell'impedenza delle tracce RF a quella dei connettori e dei componenti. Inoltre, è importante assicurarsi che lo spazio e la larghezza delle tracce rispettino le tolleranze e il valore di impedenza richiesti.

Schermatura

Utilizzare schermature RF o connettori schermati per evitare possibili interferenze da altre fonti e perdite di segnale RF.

Test

Dopo aver completato il layout, è fondamentale testare il circuito per valutarne le prestazioni. Utilizzare un oscilloscopio o un analizzatore di rete per misurare la larghezza di banda, la perdita di ritorno e la perdita di inserzione.

OTTIMIZZAZIONE

Apportare modifiche al progetto per ottimizzarne le prestazioni. Questo è possibile regolando lo spazio, la larghezza e la lunghezza della traccia. Inoltre, analizzare il comportamento RF dei circuiti utilizzando strumenti di soluzione elettromagnetica.

In generale, la progettazione di PCB RF richiede una pianificazione accurata e meticolosa. Richiede inoltre una profonda conoscenza dei principi di progettazione RF. È possibile creare circuiti RF ad alte prestazioni seguendo queste linee guida di progettazione e utilizzando le tecniche e gli strumenti appropriati.

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Considerazioni sui materiali dei PCB RF

Di seguito sono riportate alcune considerazioni sui materiali da tenere in considerazione durante la produzione di circuiti stampati RF.

Costante dielettrica

La costante dielettrica descrive la velocità di propagazione del segnale elettrico nel mezzo. Questa velocità è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica. Valori più bassi della costante dielettrica indicano trasmissioni del segnale più veloci.

Inoltre, misurare questa proprietà non è un compito facile. Non è solo correlata alle caratteristiche del mezzo, ma è strettamente correlata allo stato del materiale durante e prima del test, alla frequenza e al metodo di prova.

Inoltre, una variazione di temperatura influisce sulla costante dielettrica. Per questo motivo, è fondamentale tenere conto della temperatura durante lo sviluppo di alcuni materiali. Un altro fattore che influenza la costante dielettrica è l'umidità. Questo perché il valore della costante dielettrica dell'acqua è 70. Anche una piccola quantità d'acqua può causare variazioni significative.

Il materiale migliore per applicazioni ad alta frequenza e alta velocità è un mezzo d'aria avvolto in un foglio di rame. Inoltre, oltre a influenzare direttamente la velocità di trasmissione del segnale, la costante dielettrica contribuisce in una certa misura a determinarne l'impedenza. In diversi casi, questa impedenza gioca un ruolo significativo nelle comunicazioni a microonde.

Poiché la costante dielettrica solitamente cambia con le variazioni di temperatura, i materiali a microonde vengono solitamente utilizzati all'aperto, anche in ambienti spaziali.

Tangente di perdita

La tangente di perdita è un altro fattore che influenza le proprietà elettriche del materiale di un PCB RF. Altri nomi per la tangente di perdita sono fattore di perdita e perdita dielettrica. Questa indica una perdita di segnale o di energia in un mezzo. Questo perché ogni volta che segnali ad alta frequenza attraversano un mezzo, le molecole in quel mezzo si adattano o si regolano per conformarsi ai segnali elettromagnetici.

Tuttavia, le molecole sono reticolate, il che rende quasi impossibile l'adattamento; con i cambiamenti di frequenza, invece, i marcatori continueranno a muoversi, genereranno più calore e ciò causerà una perdita di energia.

Inoltre, alcuni materiali come il PTFE sono generalmente apolari. Ciò significa che non subiscono l'influenza di un campo elettromagnetico e, pertanto, subiscono perdite minime. Inoltre, la tangente di perdita è correlata al metodo di prova e alla frequenza.

In questo caso, vale una regola generale: frequenze più alte comportano perdite più significative. Un buon esempio è il consumo di energia elettrica. Una piccola perdita nella progettazione del circuito può comportare un aumento significativo della durata della batteria. Quando un'antenna riceve il segnale, diventa più sensibile alle perdite di materiale e il segnale sarà più chiaro.

Coefficiente di dilatazione termica

Indicato come CTE, indica come un materiale si contrae e si espande quando sottoposto a diverse temperature. Inoltre, è un criterio essenziale per la scelta dei materiali in fase di fabbricazione.

Resistenza elettrica

La rigidità dielettrica è strettamente correlata alla rigidità dielettrica del materiale da utilizzare in un circuito. Quando si lavora con schede a bassa potenza, questo fattore potrebbe non essere significativo. Tuttavia, per applicazioni ad alta potenza come i PCB RF, la rigidità dielettrica è fondamentale.

Coefficiente termico

È fondamentale considerare il coefficiente termico del materiale prima di scegliere. In alcuni casi, piccole variazioni del coefficiente termico causeranno una variazione nelle risposte in frequenza. Poiché i PCB RF sono solitamente esposti a temperature variabili, è consigliabile utilizzare materiali con un coefficiente termico inferiore a 50 ppm/°C.

Temperatura di transizione vetrosa

Indicata come Tg, è la temperatura alla quale un substrato di PCB può passare dallo stato vetroso a uno rammollito, facilmente deformabile. Dopo il raffreddamento, il materiale torna al suo stato originale.

Assorbimento di umidità

L'assorbimento di umidità di un materiale è la sua capacità di limitare l'assorbimento d'acqua, soprattutto se immerso in acqua. Di solito, l'assorbimento di umidità influisce sulle proprietà elettriche e termiche di un materiale. Assicuratevi di comprendere l'ambiente in cui la scheda verrà utilizzata.

Temperatura di decomposizione

La temperatura di decomposizione, indicata con Td, indica la temperatura alla quale un materiale per PCB RF subisce una decomposizione meccanica. Assicurarsi che i materiali utilizzati siano in grado di sostenere qualsiasi temperatura a cui la scheda dovrà operare. Questo è necessario perché, subito dopo aver raggiunto la temperatura di decomposizione, un materiale diventa irreversibile.

Layout PCB RF e posizionamento dei componenti

Le schede a circuito stampato RF sono solitamente più sensibili alle interferenze. Per questo motivo, i progetti di PCB RF richiedono tolleranze più strette. In particolare, è necessario tenere conto di riflessioni, oscillazioni e rumore. Ciò richiede una gestione accurata dell'adattamento di impedenza durante il routing.

Inoltre, i percorsi di ritorno del segnale sono essenziali nei circuiti ad alta frequenza di un progetto RF. Queste correnti di ritorno del segnale seguono il percorso delle impedenze più basse. Durante il processo di progettazione del PCB RF, la simulazione del circuito diventa fondamentale per individuare le aree problematiche e trovare soluzioni.

Esistono delle deviazioni dalle regole tradizionali di layout dei PCB che dovrebbero garantire le prestazioni di segnale più appropriate. Tra queste, piazzole più piccole e spazi di posizionamento ridotti. Tuttavia, sarebbe utile che queste modifiche venissero apportate quando necessario per mantenere le regole DFM richieste e garantire un assemblaggio e una fabbricazione senza errori.

Consideriamo alcuni dei requisiti per ottenere le migliori prestazioni.

Posizionamento dei componenti RF

Durante il posizionamento dei componenti del blocco del circuito RF, il circuito richiede solitamente un posizionamento più stretto e saldo. Modificare questo posizionamento dei componenti è un compromesso che il progettista deve gestire attentamente per garantire la possibilità di realizzare la scheda con attrezzature di assemblaggio standard e automatizzate. Questo aiuta a prevenire l'aumento dei costi di produzione.

Inoltre, una scheda RF di solito presenta metallo extra sugli strati esterni per le reti di alimentazione, mentre i componenti sono tipicamente posizionati in quelle aree. Sebbene questa connessione possa essere ottimale per le prestazioni del circuito RF, potrebbero sorgere problemi di assemblaggio del PCB.

Inoltre, durante il layout, potrebbe essere necessario modificare i componenti. Questo potrebbe includere la modifica della forma e delle dimensioni dei pad del PCB e l'integrazione di forme e dettagli metallici nel footprint. Queste attività vengono gestite individualmente dai componenti della scheda, senza dover modificare la sezione della libreria di base. Ora, consideriamo alcuni requisiti di routing delle tracce che potrebbero entrare in gioco durante la progettazione di PCB RF.

Traccia di routing

Come per tutti i percorsi ad alta velocità, sarà necessario un percorso diretto e breve con diverse larghezze per tracce con corrente più elevata e percorsi a impedenza controllata. Di seguito sono riportati alcuni punti da considerare sul percorso RF.

● La maggior parte del routing delle tracce deve essere aggiunto manualmente per alcune topologie RF

● L'impostazione e l'utilizzo delle regole di progettazione sono fondamentali per il successo

● Inoltre, le funzionalità di routing come copia e incolla potrebbero essere importanti quando si replicano aree di circuiti simili

● Le vie forniscono una recinzione attorno alle aree del piano di terra per la schermatura

● Gli angoli smussati aiutano a ridurre qualsiasi fluttuazione di impedenza

In diversi progetti RF, alcune aree di routing vengono trattate come componenti. Un routing di questo tipo richiede strumenti che supportino il routing parametrico dei componenti per inviare i segmenti di traccia ai sistemi di analisi RF.

Inoltre, i piani di massa e di potenza richiedono una maggiore potenza nei progetti RF e garantiscono che i rilievi termici gestiscano la corrente durante la saldatura automatizzata. È inoltre essenziale creare aree metalliche di forma irregolare per gli elementi RF, utilizzando le funzionalità di disegno degli strumenti CAD e convertendo queste aree in oggetti di rete intelligenti.

Sfide comuni e soluzioni durante la progettazione di PCB RF

Le sfide più comuni nei PCB RF includono la riduzione del peso, il degassamento, la prevenzione del bleeding e l'adattamento di impedenza. Di seguito sono riportate alcune altre sfide:

Processo di progettazione difficile

Per i PCB satellitari multistrato, è necessario mantenere i diversi componenti separati. Questo riduce i possibili problemi durante il processo di assemblaggio. Inoltre, i PCB RF richiedono molti strati, con lo strato superiore contenente le linee di segnale RF e uno stadio di potenza. Inoltre, la scheda richiede strati di massa sotto i componenti che ricevono segnali RF.

Rumore

I segnali RF sono sensibili al rumore e ancora più sensibili a diversi tipi di rumore rispetto ai PCB standard. Esistono diversi tipi di rumore, tra cui rumore a banda limitata, rumore rosa o bianco e a impulsi, rumore termico, rumore di sfarfallio, rumore di fase e rumore a valanga. È importante ridurre il rumore del segnale, la riflessione e le risonanze il più possibile.

Ampia gamma di temperature

Un'altra sfida comune da considerare è la variazione di temperatura. Variare la temperatura di un satellite potrebbe alterare le caratteristiche dei materiali del PCB. Il controllo del coefficiente di temperatura è necessario per confrontare i materiali delle schede e la loro idoneità per diverse applicazioni satellitari.

Inoltre, i PCB RF devono essere in grado di dissipare adeguatamente il calore, soprattutto in aree piccole e ristrette. È importante analizzare la conduttività termica del PCB per comprendere il modo in cui il materiale del PCB RF dissipa il calore.

L’affidabilità

La riduzione del peso è legata al crescente utilizzo di circuiti stampati multistrato e all'aumento della densità dei circuiti RF. Inoltre, l'affidabilità dei fori passanti placcati per le interconnessioni tra gli strati è diventata un problema quando si opera a temperature estreme nello spazio.

Cos'è un PCB per microonde?

Il PCB per microonde è un tipo di PCB RF. È progettato specificamente per la trasmissione di segnali ad alta frequenza. La sua frequenza operativa è solitamente superiore a 1 GHz, ovvero rientra nella banda di frequenza delle "microonde". In parole povere, se il vostro circuito deve trasmettere segnali a frequenze molto elevate, come nelle comunicazioni satellitari, nelle stazioni base 5G, nei radar ad alta velocità o nei sistemi radar militari, è probabile che utilizziate un PCB per microonde.

PCB RF vs. microonde

Sebbene tutti i PCB a microonde appartengano a circuiti stampati RF, ovvero siano tutti utilizzati in applicazioni nell'intervallo di radiofrequenza, non tutti i PCB RF sono idonei alla trasmissione del segnale a livello di microonde. Ad esempio, alcuni PCB RF con frequenze operative comprese tra 100 MHz e 1 GHz, sebbene utilizzati anche in scenari come le comunicazioni wireless e Bluetooth, non possono soddisfare i requisiti più elevati dei sistemi a microonde in termini di precisione, controllo dell'impedenza e stabilità dei materiali.

Pertanto, quando si progetta un PCB RF, soprattutto per quanto riguarda la banda di frequenza delle microonde, è necessario selezionare fin dall'inizio i materiali appropriati per il PCB RF e seguire rigorose linee guida per il layout RF e la progettazione del PCB RF. Ciò non solo garantisce la qualità di trasmissione del segnale, ma migliora anche significativamente l'affidabilità complessiva del prodotto.

Di seguito esaminiamo le differenze tra PCB RF e PCB a microonde in una tabella:

caratteristica	PCB RF (PCB a radiofrequenza)	PCB a microonde
Intervallo di frequenze	100 MHz – 1 GHz (intervallo RF tipico)	1 GHz e oltre (gamma microonde, comunemente utilizzata nelle applicazioni da 3 a 30 GHz)
Tipo di segnale	Segnali RF a bassa e media frequenza come FM, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee	Segnali ad alta velocità e alta frequenza come onde radar, comunicazioni a onde millimetriche, collegamenti satellitari
Materiali comuni	Rogers 4350B, Taconic TLX, Isola FR408HR – materiali standard per PCB RF	RT/duroid® 5880, RO3003, RO4003 – materiali PCB specializzati per microonde
Proprietà dei materiali	Costante dielettrica moderata (Dk ≈ 3.4–4.2), fattore di perdita moderato (Df ≈ 0.004–0.009)	Dk basso (≈ 2.2–3.0), Df estremamente basso (≈ 0.0009–0.003) per una perdita minima del segnale
Struttura a strati	Può essere a 2 strati o multistrato; adatto per la progettazione generale di PCB RF	Tipicamente multistrato con rigoroso layout RF e controllo dell'isolamento
Scenari di applicazione	Moduli wireless, dispositivi Bluetooth, telecomandi RF, ricetrasmettitori RF	Sistemi satellitari, moduli 5G mmWave, radar militari, sistemi di comunicazione aerospaziale
Complessità del design	Relativamente moderato, con linee guida standard per la progettazione di PCB RF	Elevata complessità, che richiede rigide linee guida per il layout RF e l'adattamento dell'impedenza a microonde
Costo e produzione	Processi PCB standard, costo moderato	Fabbricazione complessa, tolleranza ristretta, costi più elevati a causa dei requisiti di materiale e prestazioni

Comprendere queste differenze aiuta ingegneri e progettisti a selezionare il materiale e il tipo di scheda RF più adatti per il loro specifico intervallo di frequenza e la loro applicazione. La scelta tra una scheda RF generica e una scheda a microonde ad alte prestazioni è fondamentale per garantire la qualità del segnale e l'affidabilità complessiva del sistema.

Scegliere un produttore di PCB RF affidabile

Prima di scegliere un produttore di PCB RF, ci sono alcune caratteristiche da considerare

Esperienza

Non vorresti lavorare con un'azienda senza esperienza nella produzione di PCB RF. La perfezione di solito arriva con l'esperienza. I produttori esperti utilizzano tecnologie e macchinari all'avanguardia nella produzione di PCB ad alta frequenza.

Con l'esperienza, le probabilità di guasto del PCB RF sono ridotte. Per ottenere i migliori risultati, affidatevi a un produttore con una vasta esperienza nel settore.

Certificazione

La qualità dovrebbe essere un fattore cruciale nella scelta di un produttore di PCB RF. Il primo aspetto da considerare è il sistema di gestione della qualità (SGQ) del produttore. Il requisito minimo è la certificazione ISO 9001, che attesta la presenza di un SGQ di base.

Sono incluse istruzioni di lavoro, procedure, processi, manuali di qualità, politiche di qualità, azioni preventive, ecc. Alcune certificazioni contribuiscono a dimostrare la competenza di un'azienda. Tra queste, ISO 13485, A-610, A-600 e IPC J-STD.

Capacità tecniche

È fondamentale collaborare con un produttore di PCB RF con competenze tecniche eccezionali come PCBasic. Queste competenze includono progettazione e selezione dei materiali appropriate, tecnologia di lavorazione, rigorosi controlli di qualità e condizioni ottimali delle apparecchiature utilizzate.

Prezzi equi

Prima di collaborare con un produttore di PCB RF, è importante conoscere i costi. È possibile farlo consultando i siti web dei diversi produttori per comprendere i diversi prezzi di mercato.

Conclusione

La progettazione e la produzione di PCB RF richiedono la selezione dei materiali, le regole di progettazione e i processi di produzione appropriati. Per questo motivo è importante collaborare con un produttore di PCB RF affidabile come PCBasic.