PCBs de RF: seu guia definitivo para PCBs de radiofrequência

  

PCBs de RF, ou placas de circuito impresso de radiofrequência, estão entre as áreas de crescimento mais rápido na fabricação de PCBs. Elas funcionam com sinais de alta frequência, especialmente aqueles na faixa de RF (radiofrequência).

É importante lidar com o layout e o roteamento com cuidado para evitar problemas relacionados à integridade do sinal. Isso ocorre porque os layouts de PCB de RF podem conter componentes digitais e, com um layout cuidadoso, podem evitar possíveis interferências entre os sinais digitais e de RF.

Este artigo explica o que é PCB de RF, seus princípios de design, considerações sobre materiais e seu layout. Também discutiremos os desafios comuns enfrentados durante o projeto de PCB de RF e daremos dicas e soluções possíveis. Por fim, forneceremos dicas e fatores a serem considerados antes de selecionar o melhor fabricante de PCB de RF. Continue lendo esta página enquanto explicamos o assunto com mais detalhes.

  

  

  

   

O que é um PCB RF?

RF descreve qualquer frequência onde ocorrem emissões de ondas de rádio. A faixa de frequência de RF geralmente fica entre 300 KHz e 300 GHz. A principal diferença entre uma PCB de micro-ondas e uma PCB de RF é a radiofrequência em que operam.

Uma PCB de RF é uma PCB de alta frequência que opera acima de 100 MHz, enquanto PCBs que operam em frequências superiores a 2 GHz são categorizadas como PCBs de micro-ondas. Tanto PCBs de micro-ondas quanto PCBs de RF são essenciais para sinais de comunicação em aplicações que exigem a transmissão e recepção de sinais de rádio, como instalações de radar.

PCBs de RF utilizam materiais com alta condutividade térmica e baixa perda dielétrica. Para manter a integridade do sinal, utilizam estruturas de linhas de transmissão e impedância controlada. Além disso, PCBs de RF possuem recursos de blindagem que ajudam a reduzir a EMI (interferência eletromagnética). Esse recurso também garante uma melhor transmissão do sinal.

As aplicações das placas de circuito de RF são diversas. Elas incluem sistemas de radar, equipamentos de micro-ondas e sistemas de comunicação por fio. Além disso, essas placas ajudam a reduzir possíveis problemas como interferência de sinal, perda de sinal e ruído. Esses problemas podem reduzir a funcionalidade desses circuitos de alta frequência.

A função principal de um PCB convencional é oferecer conexões elétricas e suporte mecânico montando componentes elétricos como capacitores, resistores e circuitos integrados em sua superfície e interconectando-os utilizando trilhas de cobre.

Em contraste, as placas de circuito de RF podem lidar com sinais de radiofrequência e alta frequência. Comparadas às placas de circuito impresso convencionais, as placas de circuito impresso de RF apresentam requisitos e características de design exclusivos que permitem a transmissão eficaz de sinais em uma faixa de alta frequência.

Guia de aplicações de PCB de RF e correspondência de materiais

Aplicação RF	Materiais RF	Materiais de Ligação	Atributos
Aplicação Militar e Espacial	RO4000 RT / Duroid	RO4450F RO4450B	O mais eficaz em desempenho térmico e elétrico, bem como em durabilidade ambiental
Eletrónica de Consumo	RO4835 RO3010 RO3006	2929 Baplicar Bondply Série RO3000	É rentável e possui características térmicas e elétricas confiáveis
Produtos para uso Médico	RO4350B	2929 Bondply RO4400 Bondply	Recursos de alto desempenho que se adaptam a diferentes dispositivos
Industrial	RO4350B RO4835 XT / Duroid	RO4400 Bondply 2929 Bondply	Grande durabilidade e resistência ambiental
Automotivo	RO4000 RO3003 RO4350B	RO4400 Bondply	Excelente desempenho elétrico que se adapta aos processos de fabricação padrão
Aplicações de alta potência	XT / Duroid 6035 HTC	Normalmente não é necessário ou térmico personalizado	Excelente gerenciamento térmicont

Diretrizes de projeto de PCB de RF principal

É essencial reduzir ruído, perda de sinal e interferência eletromagnética (EMI) durante o projeto de PCBs de RF. Também é essencial maximizar a estabilidade, a intensidade e a largura de banda do sinal. Aqui estão os principais princípios de projeto para PCBs de RF.

Requisitos de projeto

Antes de começar a projetar o PCB de RF, é crucial determinar os requisitos de impedância, nível de potência e faixa de frequência do PCB. Além disso, conheça os componentes eletrônicos utilizados na montagem do PCBA (PCB).

Layout de PCB

A colocação dos componentes da placa de circuito impresso de RF deve ajudar a reduzir o comprimento do fio de sinal. Também deve utilizar algumas vias.

Além disso, conecte componentes menores a peças críticas. Lembre-se de que as linhas de RF devem ser curtas. Isso evita roteá-las perto de planos de energia de alta velocidade, trilhas digitais e outras fontes de ruído.

encalhe

Deve haver um plano de aterramento sólido abaixo dos traços de RF para reduzir caminhos de retorno, radiação e diafonia.

Correspondência de impedância

É essencial utilizar linhas de transmissão microstrip. Isso garante a correspondência adequada da impedância dos traços de RF com a dos conectores e componentes. Além disso, certifique-se de que o espaço e a largura dos traços atendam às tolerâncias e aos valores de impedância exigidos.

blindagem

Utilize blindagens de RF ou conectores blindados para evitar possível interferência de outras fontes e vazamento de sinal de RF.

Teste

Após concluir o layout, é essencial testar o circuito para avaliar seu desempenho. Use um osciloscópio ou analisador de rede para medir a largura de banda, a perda de retorno e a perda de inserção.

Operacional

Faça ajustes no projeto para otimizar seu desempenho. Isso é possível ajustando o espaço de rastreamento, a largura e o comprimento. Além disso, analise o comportamento de RF dos circuitos usando ferramentas de solução eletromagnética.

Geralmente, o projeto de PCBs de RF requer um planejamento adequado e meticuloso. Também requer um vasto conhecimento dos princípios de projeto de RF. É possível criar circuitos de RF de alto desempenho seguindo estas diretrizes de projeto e trabalhando com as técnicas e ferramentas apropriadas.

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Considerações sobre materiais de PCB de RF

Abaixo estão algumas considerações sobre materiais ao fabricar placas de circuito de RF.

Constante Dielétrica

A constante dielétrica descreve a velocidade de propagação do sinal elétrico no meio. Essa velocidade é inversamente proporcional à raiz quadrada da constante dielétrica. Valores mais baixos da constante dielétrica significam transmissões de sinal mais rápidas.

Além disso, medir essa propriedade não é uma tarefa fácil. Ela não está relacionada apenas às características do meio, mas também ao estado do material durante e antes do teste, à frequência do teste e ao método de teste.

Além disso, uma mudança na temperatura afeta a constante dielétrica. É por isso que você deve considerar a temperatura ao desenvolver alguns materiais. Outro fator que afeta a constante dielétrica é a umidade. Isso ocorre porque o valor da constante dielétrica da água é 70. Uma pequena quantidade de água já causa mudanças significativas.

O melhor material para aplicações de alta frequência e alta velocidade é um meio de ar envolto em folha de cobre. Além disso, além de afetar diretamente a velocidade de transmissão do sinal, a constante dielétrica ajuda, em certa medida, a determinar a impedância. Em vários aspectos, essa impedância desempenha um papel significativo na comunicação por micro-ondas.

Como a constante dielétrica geralmente muda com a variação de temperatura, os materiais de micro-ondas ficam tradicionalmente ao ar livre, mesmo em ambientes espaciais.

Tangente de Perda

A tangente de perdas é outro fator que afeta as propriedades elétricas de um material de PCB de RF. Outros nomes para tangente de perdas são fator de perda e perda dielétrica. Isso indica uma perda de sinal ou energia em um meio. Isso ocorre porque sempre que sinais de alta frequência passam por um meio, as moléculas nesse meio se ajustam ou se adaptam para se conformar aos sinais eletromagnéticos.

No entanto, as moléculas são interligadas, o que torna quase impossível o ajuste, mas com as mudanças de frequência, os marcadores continuarão a se mover, gerando mais calor e levando à perda de energia.

Além disso, alguns materiais como o PTFE são geralmente apolares. Isso significa que não são afetados por um campo eletromagnético e, portanto, sofrem perdas mínimas. Além disso, a tangente de perdas está relacionada ao método de teste e à frequência.

Aqui, há uma regra geral: frequências mais altas resultam em perdas mais significativas. Um bom exemplo é o consumo de energia elétrica. Quando há uma pequena perda no projeto do circuito, pode haver um aumento significativo na vida útil da bateria. Quando uma antena recebe o sinal, ela se torna mais sensível à perda de material, e o sinal será mais nítido.

Coeficiente de Expansão Térmica

Denominado como CTE, indica como um material se contrai e se expande quando submetido a diferentes temperaturas. Além disso, é um critério essencial na escolha de materiais durante a fabricação.

Força elétrica

A rigidez dielétrica está intimamente relacionada à rigidez dielétrica de um material a ser utilizado em um circuito. Ao trabalhar com placas de baixa potência, esse fator pode não ser significativo. No entanto, para aplicações de alta potência, como PCBs de RF, a rigidez dielétrica é essencial.

Coeficiente térmico

É crucial considerar o coeficiente térmico do material antes de escolher. Em alguns casos, pequenas alterações no valor do coeficiente térmico causarão uma alteração nas respostas de frequência. Como as PCBs de RF geralmente são expostas a temperaturas flutuantes, é aconselhável usar materiais com coeficiente térmico abaixo de 50 ppm/°C.

Temperatura de transição vítrea

Denominada Tg, é a temperatura na qual um substrato de PCB pode mudar de seu estado vítreo para um estado amolecido, que pode ser facilmente deformado. Após o resfriamento, o material retorna ao seu estado anterior.

Absorção de umidade

A absorção de umidade de um material é sua capacidade de restringir a absorção de água, principalmente quando imerso em água. Normalmente, a absorção de umidade afeta as propriedades elétricas e térmicas de um material. Certifique-se de entender o ambiente em que a placa será utilizada.

Temperatura de decomposição

A temperatura de decomposição, denotada como Td, indica a temperatura na qual um material de PCB de RF sofre decomposição mecânica. Certifique-se de que os materiais utilizados mantenham a temperatura sob a qual a placa terá que operar. Isso é necessário porque, imediatamente após um material atingir sua temperatura de decomposição, ela é irreversível.

Layout de PCB de RF e posicionamento de componentes

Placas de circuito de RF geralmente são mais sensíveis a interferências. É por isso que os projetos de PCB de RF exigem tolerâncias mais rigorosas. Especificamente, reflexões, zumbidos e ruídos devem ser considerados. Isso requer cuidado ao lidar com o casamento de impedâncias durante o roteamento.

Além disso, os caminhos de retorno do sinal são essenciais nos circuitos de alta frequência de um projeto de RF. Essas correntes de retorno do sinal seguem a rota das impedâncias mais baixas. Durante o processo de layout da placa de circuito impresso de RF, a simulação do circuito torna-se importante para descobrir áreas problemáticas e encontrar soluções.

Existem desvios nas regras tradicionais de layout de PCB que deveriam proporcionar o desempenho de sinal mais adequado. Isso inclui tamanhos menores de pads e folgas de posicionamento apertadas. No entanto, seria útil se essas modificações fossem feitas quando necessário para manter as regras DFM exigidas e garantir uma montagem e fabricação sem erros.

Vamos considerar alguns dos requisitos para atingir o melhor desempenho.

Posicionamento de componentes de RF

Durante o posicionamento dos componentes do bloco de circuito de RF, o circuito geralmente requer um posicionamento mais firme e preciso das peças. Modificar o posicionamento desses componentes é um compromisso que o projetista precisa gerenciar cuidadosamente para garantir que a criação da placa seja realizada com equipamentos padrão e automatizados para montagem. Isso ajuda a evitar o aumento dos custos de fabricação.

Além disso, uma placa de RF geralmente possui metal extra em suas camadas externas para uso em suas redes de energia, enquanto os componentes são normalmente colocados nessas áreas. Embora essa conexão possa funcionar muito bem para o desempenho do circuito de RF, podem surgir problemas na montagem da placa de circuito impresso.

Além disso, durante o layout, pode ser necessário alterar os componentes. Isso pode incluir a alteração do formato e do tamanho das bases da placa de circuito impresso (Place Pad) e a incorporação de formas e elementos metálicos na base. Essas tarefas são realizadas individualmente pelos componentes da placa, em vez de alterar a seção da biblioteca base. Agora, vamos considerar alguns requisitos de roteamento de rastreamento que podem ser relevantes durante o projeto de PCB de RF.

Rastreamento de roteamento

Como todos os roteamentos de alta velocidade, o roteamento direto e curto com larguras diferentes será necessário para traçados de alta potência e roteamento de impedância controlada. Abaixo, alguns pontos sobre roteamento de RF a serem considerados.

● A maior parte do roteamento de rastreamento deve ser adicionado manualmente para algumas topologias de RF

● A configuração e utilização das regras de design são vitais para o sucesso

● Além disso, recursos de roteamento como copiar e colar podem ser importantes ao replicar áreas de circuitos semelhantes

● As vias fornecem cercas ao redor das áreas do plano de solo para blindagem

● Os cantos em meia-esquadria ajudam a reduzir qualquer flutuação de impedância

Em diversos projetos de RF, algumas áreas de roteamento são tratadas como componentes. O roteamento desse tipo requer ferramentas que acomodem o roteamento de componentes paramétricos para enviar os segmentos de rastreamento aos sistemas de análise de RF.

Além disso, os planos de aterramento e de energia exigem maior potência em projetos de RF e garantem que os relevos térmicos suportem a corrente durante a soldagem automatizada. Além disso, é essencial criar áreas metálicas com formatos incomuns para elementos de RF, utilizando os recursos de desenho das ferramentas CAD e, em seguida, convertendo essas áreas em objetos de rede inteligentes.

Desafios e soluções comuns durante o projeto de PCB de RF

Os desafios comuns em PCBs de RF incluem a minimização de peso, a liberação de gases, a prevenção de sangramento e o casamento de impedância. Veja abaixo alguns outros desafios:

Processo de design difícil

Para PCBs satélites de múltiplas camadas, você deve manter os diferentes componentes separadamente. Isso diminui possíveis problemas durante o processo de montagem. Além disso, PCBs de RF requerem muitas camadas, com a camada superior contendo linhas de sinal de RF e um estágio de potência. Além disso, a placa requer camadas de aterramento sob os componentes que recebem sinais de RF.

Ruído

Os sinais de RF são suscetíveis a ruídos e ainda mais sensíveis a diferentes tipos de ruído do que as placas de circuito impresso padrão. Existem diferentes tipos de ruído, incluindo ruído limitado por banda, ruído rosa ou branco e de disparo, ruído térmico, cintilação, fase e avalanche. Reduzir o ruído do sinal, a reflexão e o zumbido ao máximo é fundamental.

Ampla faixa de temperatura

Uma mudança no nível de temperatura é outro desafio comum a ser considerado. Alterar a temperatura de um satélite pode alterar as características do material da placa de circuito impresso (PCB). Verificar o coeficiente de temperatura é necessário para comparar os materiais da placa e sua adequação para diversas aplicações de satélite.

Além disso, PCBs de RF devem ter a capacidade de dissipar calor adequadamente, especialmente em áreas pequenas e restritas. Analise a condutividade térmica da PCB para entender como o material da PCB de RF dissipa calor.

Confiabilidade

A redução de peso está relacionada ao uso crescente de placas de circuito multicamadas e à maior densidade de circuitos de RF. Além disso, a confiabilidade dos furos passantes para interconexões entre as camadas tornou-se uma preocupação ao operar em temperaturas extremas no espaço.

O que é uma PCB de micro-ondas?

A PCB de micro-ondas é um tipo de PCB de RF. Ela é especialmente projetada para transmissão de sinais de alta frequência. Sua frequência de operação é geralmente superior a 1 GHz; ou seja, entra na faixa de frequência de "micro-ondas". Simplificando, se o seu circuito precisa transmitir sinais em frequências muito altas, como em comunicações via satélite, estações base 5G, radares de alta velocidade ou sistemas de radar militares, então você provavelmente usará uma PCB de micro-ondas.

PCBs de RF vs. Micro-ondas

Embora todas as PCBs de micro-ondas pertençam a placas de circuito de RF, ou seja, sejam todas utilizadas em aplicações na faixa de radiofrequência, nem todas as PCBs de RF são competentes para transmissão de sinais em nível de micro-ondas. Por exemplo, algumas PCBs de RF com frequências de operação variando de 100 MHz a 1 GHz, embora também utilizadas em cenários como comunicação sem fio e Bluetooth, não atendem aos requisitos mais elevados dos sistemas de micro-ondas em termos de precisão, controle de impedância e estabilidade do material.

Portanto, ao realizar o projeto de PCB de RF, especialmente quando se trata da faixa de frequência de micro-ondas, os materiais de PCB de RF apropriados devem ser selecionados desde o início, e diretrizes rigorosas de layout e projeto de PCB de RF devem ser seguidas. Isso não só garante a qualidade da transmissão do sinal, como também melhora significativamente a confiabilidade geral do produto.

Aqui veremos as diferenças entre PCBs de RF e PCBs de micro-ondas em uma tabela:

Característica	PCB de RF (PCB de radiofrequência)	Micro-ondas PCB
Alcance de frequência	100 MHz – 1 GHz (faixa típica de RF)	1 GHz e acima (faixa de micro-ondas, comumente usada em aplicações de 3 a 30 GHz)
Tipo de sinal	Sinais de RF de baixa a média frequência, como FM, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee	Sinais de alta velocidade e alta frequência, como ondas de radar, comunicação de ondas milimétricas, links de satélite
Materiais Comuns	Rogers 4350B, Taconic TLX, Isola FR408HR – materiais de PCB de RF padrão	RT/duroid® 5880, RO3003, RO4003 – materiais especializados para PCB de micro-ondas
Propriedades materiais	Constante dielétrica moderada (Dk ≈ 3.4–4.2), fator de perda moderado (Df ≈ 0.004–0.009)	Dk baixo (≈ 2.2–3.0), Df extremamente baixo (≈ 0.0009–0.003) para perda mínima de sinal
Estrutura da Camada	Pode ser de 2 camadas ou multicamadas; adequado para design geral de PCB de RF	Normalmente multicamadas com layout de RF rigoroso e controle de isolamento
Cenários de Aplicativos	Módulos sem fio, dispositivos Bluetooth, controles remotos RF, transceptores RF	Sistemas de satélite, módulos 5G mmWave, radar militar, sistemas de comunicação aeroespacial
Complexidade de design	Relativamente moderado, com diretrizes padrão de projeto de PCB de RF	Alta complexidade, exigindo diretrizes rígidas de layout de RF e correspondência de impedância de micro-ondas
Custo e Fabricação	Processos de PCB padrão, custo moderado	Fabricação complexa, tolerância restrita, custo mais alto devido aos requisitos de material e desempenho

Compreender essas diferenças ajuda engenheiros e projetistas a selecionar o material e o tipo de placa de circuito impresso de RF adequados para sua faixa de frequência e aplicação específicas. Escolher entre uma placa de circuito impresso de RF geral e uma placa de circuito impresso de micro-ondas de alto desempenho é fundamental para garantir a qualidade do sinal e a confiabilidade geral do sistema.

Escolhendo um fabricante confiável de PCB de RF

Antes de escolher um fabricante de PCB RF, há alguns recursos a serem considerados

Experiência

Você não gostaria de trabalhar com uma empresa sem experiência na fabricação de PCBs de RF. A perfeição geralmente vem com experiência. Fabricantes experientes utilizam tecnologias e máquinas recentes na fabricação de PCBs de alta frequência.

Com a experiência, as chances de falha da placa de circuito impresso de RF são baixas. Para obter os melhores resultados, contrate um fabricante com vasta experiência na área.

Certificação

A qualidade deve ser um fator crucial antes de escolher um fabricante de PCB de RF. O primeiro ponto a considerar é o sistema de gestão da qualidade (SGQ) do fabricante. O requisito mínimo é a certificação ISO 9001. Ela indica a presença de um SGQ básico.

Estão incluídas instruções de trabalho, procedimentos, processos, manuais de qualidade, políticas de qualidade, ações preventivas, etc. Algumas certificações ajudam a comprovar a competência de uma empresa, como ISO 13485, A-610, A-600 e IPC J-STD.

Capacidades Técnicas

É vital trabalhar com um fabricante de PCB de RF com excelentes capacidades técnicas, como a PCBasic. Essas capacidades incluem projetos e seleção de materiais adequados, tecnologia de processamento, rigoroso controle de qualidade e condições do equipamento utilizado.

Preços justos

Antes de contratar um fabricante de PCB de RF, saiba o custo. Você pode fazer isso consultando os sites de diferentes fabricantes para entender os diferentes preços de mercado.

Conclusão

O projeto e a fabricação de PCBs de RF exigem a seleção de materiais, regras de projeto e processos de fabricação adequados. Por isso, é importante trabalhar com um fabricante confiável de PCBs de RF como a PCBasic.