RF-kretskort: Din ultimata guide till radiofrekvenskretskort

  

RF-kretskort eller radiofrekvenskretskort är bland de snabbast växande områdena inom kretskortstillverkning. De fungerar med högfrekventa signaler, särskilt de i RF-området (radiofrekvens).

Det är viktigt att hantera layout och routing noggrant för att förhindra problem relaterade till signalintegriteten. Detta beror på att RF-kretskortlayouter kan innehålla digitala komponenter och, med noggrann layout, kan förhindra eventuell störning mellan de digitala signalerna och RF-signalerna.

Den här artikeln förklarar vad RF-kretskort är, dess designprinciper, materialaspekter och layoutdesign. Vi kommer också att diskutera vanliga utmaningar som uppstår vid design av RF-kretskort och ge möjliga tips och lösningar. Slutligen kommer vi att ge tips och faktorer att beakta innan du väljer den bästa tillverkaren av RF-kretskort. Stanna kvar på den här sidan medan vi förklarar ämnet ytterligare.

  

  

  

   

Vad är ett RF PCB?

RF beskriver alla frekvenser där radiovågor utsänds. RF-frekvensområdet ligger vanligtvis mellan 300 kHz och 300 GHz. Den största skillnaden mellan ett mikrovågskretskort och ett RF-kretskort är radiofrekvensen de arbetar på.

Ett RF-kretskort är ett högfrekvent kretskort som fungerar över 100 MHz, medan kretskort som arbetar vid frekvenser högre än 2 GHz kategoriseras som mikrovågskretskort. Både mikrovågskretskort och RF-kretskort är viktiga för kommunikationssignaler i applikationer som kräver sändning och mottagning av radiosignaler, t.ex. radarinstallationer.

RF-kretskort använder material med hög värmeledningsförmåga och låg dielektrisk förlust. För att bibehålla sin signalintegritet arbetar de med strukturer av transmissionsledningar och kontrollerad impedans. Dessutom har RF-kretskort skärmningsfunktioner som hjälper till att minska EMI (elektromagnetisk störning). Denna funktion säkerställer också bättre signalöverföring.

Användningsområdena för RF-kretskort är mångsidiga. Dessa inkluderar radarsystem, mikrovågsutrustning och trådbundna kommunikationssystem. Dessutom bidrar dessa kretskort till att minska eventuella problem som signalstörningar, signalförlust och brus. Problemen kan minska funktionaliteten hos dessa högfrekventa kretsar.

Den primära funktionen hos ett konventionellt kretskort är att erbjuda elektriska anslutningar och mekaniskt stöd genom att montera elektriska komponenter som kondensatorer, motstånd och integrerade kretsar på dess yta och sammankoppla dem med hjälp av koppartrådar.

Däremot kan RF-kretskort hantera radiofrekvens- och högfrekventa signaler. Jämfört med konventionella kretskort har RF-kretskort unika designkrav och egenskaper som möjliggör effektiv överföring av signaler inom ett högfrekvensområde.

RF-kretskortsapplikationer och guide till materialmatchning

RF-applikation	RF-material	Bindningsmaterial	attribut
Militär- och rymdapplikationer	RO4000 RT/Duroid	RO4450F RO4450B	Den mest effektiva vad gäller termisk och elektrisk prestanda samt miljömässig hållbarhet
Hemelektronik	RO4835 RO3010 RO3006	2929 Bondply Bondply RO3000-serien	Den är lönsam och har pålitliga termiska och elektriska egenskaper
Sjukvård	RO4350B	2929 Bondply RO4400 Bondply	Högpresterande funktioner som passar olika enheter
Industri	RO4350B RO4835 XT/Duroid	RO4400 Bondply 2929 Bondply	Hög hållbarhet samt miljöbeständighet
Bil	RO4000 RO3003 RO4350B	RO4400 Bondply	Utmärkt elektrisk prestanda som passar standardtillverkningsprocesser
Högre effektapplikationer	XT/Duroid 6035 HTC	Vanligtvis inte nödvändigt eller anpassat termiskt	Utmärkt värmehanteringnt

Riktlinjer för design av kärn-RF-kretskort

Det är viktigt att minska brus, signalförlust och elektromagnetisk störning (EMI) under design av RF-kretskort. Det är också viktigt att maximera signalstabilitet, styrka och bandbredd. Här är de viktigaste designprinciperna för RF-kretskort.

Designkrav

Innan du börjar med RF-kretskortsdesignen är det avgörande att bestämma kretskortets impedansmatchning, effektnivå och frekvensområdeskrav. Känn också till de elektroniska komponenter som används under PCBA (kretskortsmontering).

PCB-layout

Placeringen av RF-kretskortskomponenterna bör bidra till att minska signalkabelns längd. Det bör också utnyttja ett fåtal vias.

Fäst dessutom mindre komponenter på kritiska delar. Kom ihåg att RF-ledningarna ska vara korta. Detta förhindrar att de dras nära höghastighetskraftplan, digitala spår och andra bruskällor.

Jordning

Det bör finnas ett solidt jordplan under RF-spåren för att minska returvägar, strålning och överhörning.

Impedansmatchning

Det är viktigt att använda mikrostrip-överföringsledningar. Detta säkerställer korrekt matchning av RF-spårens impedans med kontakternas och komponenternas. Se också till att spårets utrymme och bredd uppfyller de erforderliga toleranserna och impedansvärdet.

Skärm

Använd RF-skärmar eller skärmade kontakter för att undvika eventuella störningar från andra källor och RF-signalläckage.

Testa

Efter att layouten är klar är det viktigt att testa kretsen för att utvärdera dess prestanda. Använd ett oscilloskop eller en nätverksanalysator för att mäta bandbredd, returförlust och insättningsförlust.

Optimering

Gör justeringar av designen för att optimera dess prestanda. Detta är möjligt genom att justera spårutrymme, bredd och längd. Analysera även kretsarnas RF-beteende med hjälp av elektromagnetiska lösningsverktyg.

Generellt sett kräver design av RF-kretskort noggrann och noggrann planering. Det kräver också omfattande kunskap om principerna för RF-design. Det är möjligt att skapa högpresterande RF-kretsar genom att följa dessa designriktlinjer och arbeta med lämpliga tekniker och verktyg.

Om PCBasic

Tid är pengar i dina projekt – och PCBasic får det. PCGrundläggande är en PCB monteringsföretag som ger snabba, felfria resultat varje gång. Vår omfattande PCB monteringstjänster inkludera expertkunskapsstöd i varje steg, vilket säkerställer högsta kvalitet på varje kretskort. Som en ledande Tillverkare av PCB-montage, Vi erbjuder en komplett lösning som effektiviserar din leveranskedja. Samarbeta med våra avancerade PCB-prototypfabrik för snabba leveranser och överlägsna resultat du kan lita på.

Att beakta material vid RF-kretskort

Nedan följer några viktiga överväganden vid tillverkning av RF-kretskort.

Dielektrisk konstant

Den dielektriska konstanten beskriver mediets utbredningshastighet för elektriska signaler. Denna hastighet är omvänt proportionell mot kvadratroten ur den dielektriska konstanten. Lägre värden på den dielektriska konstanten innebär snabbare signalöverföringar.

Dessutom är det inte lätt att mäta denna egenskap. Det är inte bara relaterat till mediets egenskaper utan även nära relaterat till materialets tillstånd under och före testet, testfrekvensen och testmetoden.

En temperaturförändring påverkar också en förändring av den dielektriska konstanten. Det är därför man måste ta hänsyn till temperaturen när man utvecklar vissa material. En annan faktor som påverkar den dielektriska konstanten är fuktigheten. Detta beror på att vattnets dielektriska konstant är 70. Bara en liten mängd vatten leder till betydande förändringar.

Det bästa materialet för högfrekventa och höghastighetstillämpningar är ett luftmedium med kopparfolie. Förutom att direkt påverka signalens överföringshastighet, hjälper den dielektriska konstanten till viss del till att bestämma impedansen. Denna impedans spelar på flera sätt en betydande roll i mikrovågskommunikation.

Eftersom den dielektriska konstanten vanligtvis ändras med temperaturförändringar, används mikrovågsmaterialen traditionellt utomhus, även i rymdmiljöer.

Förlusttangent

Förlusttangent är en annan faktor som påverkar ett RF-kretskortsmaterials elektriska egenskaper. Andra namn för förlusttangent är förlustfaktor och dielektrisk förlust. Detta indikerar en signal- eller energiförlust i ett medium. Detta beror på att när högfrekventa signaler passerar genom ett medium, justerar eller anpassar sig molekylerna i det mediet för att anpassa sig till de elektromagnetiska signalerna.

Molekylerna är dock tvärbundna, vilket gör det nästan omöjligt att anpassa sig till, men med frekvensförändringar kommer poänggivarna att fortsätta röra sig, generera mer värme och leda till energiförlust.

Dessutom är vissa material, som PTFE, vanligtvis opolära. Det betyder att de inte påverkas av ett elektromagnetiskt fält och därför upplever minimal förlust. Förlusttangenten relaterar också till testmetoden och frekvensen.

Här finns en allmän regel – högre frekvenser resulterar i större förluster. Ett bra exempel är elektrisk energiförbrukning. När det finns en liten förlust i kretsdesignen kan det bli en kraftig ökning av batteriets livslängd. När en antenn tar emot signalen blir den känsligare för materialförlust, och signalen blir tydligare.

Koefficient för termisk expansion

Betecknad som CTE, indikerar det hur ett material krymper och expanderar när det utsätts för olika temperaturer. Dessutom är det ett viktigt kriterium vid val av material under tillverkning.

Elektrisk styrka

Elektrisk hållfasthet har ett nära samband med den dielektriska hållfastheten hos ett material som ska användas i en krets. Vid arbete med lågeffektskort är denna faktor kanske inte signifikant. För högeffektsapplikationer som RF-kretskort är dock elektrisk hållfasthet mycket viktig.

Termisk koefficient

Det är avgörande att beakta materialets värmekoefficient innan du väljer. I vissa fall kan små förändringar i värmekoefficientens värde orsaka en förskjutning av frekvensresponsen. Eftersom RF-kretskort vanligtvis utsätts för fluktuerande temperaturer är det lämpligt att använda material med ett värmekoefficientvärde under 50 ppm/°C.

Glasövergångstemperatur

Betecknad som Tg är det den temperatur vid vilken ett kretskortssubstrat kan övergå från sitt glasartade tillstånd till ett mjukt tillstånd, vilket lätt kan deformeras. När materialet svalnar återgår det till sitt tidigare tillstånd.

Fuktabsorption

Ett materials fuktabsorption är dess förmåga att begränsa vattenabsorptionen, särskilt när det placeras i vatten. Vanligtvis påverkar fuktabsorption ett materials elektriska och termiska egenskaper. Se till att du förstår vilken miljö kortet kommer att arbeta i.

Sönderdelningstemperatur

Sönderfallstemperaturen, betecknad Td, anger den temperatur vid vilken ett RF-kretskortsmaterial genomgår mekanisk nedbrytning. Se till att de använda materialen klarar den temperatur som kortet måste arbeta under. Detta är nödvändigt eftersom materialet är irreversibelt omedelbart efter att det når sin nedbrytningstemperatur.

RF-kretskortslayout och komponentplacering

RF-kretskort är vanligtvis mer känsliga för störningar. Det är därför RF-kretskortskonstruktioner kräver snävare toleranser. Specifikt måste reflektioner, ringningar och brus beaktas. Detta kräver att impedansmatchningen hanteras varsamt under routing.

Dessutom är signalreturvägar viktiga i en RF-designs högfrekventa kretsar. Dessa signalreturströmmar följer vägen för de lägsta impedanserna. Under RF-kretskortslayoutprocessen blir kretssimulering viktig för att upptäcka problemområden och hitta lösningar.

Det finns avvikelser från de traditionella kretskortslayoutreglerna som bör ge den mest lämpliga signalprestanda. Dessa inkluderar mindre plattstorlekar och snäva placeringsutrymmen. Det skulle dock vara bra om dessa modifieringar gjordes vid behov för att upprätthålla de erforderliga DFM-reglerna för att säkerställa felfri montering och tillverkning.

Låt oss överväga några av kraven för att uppnå bästa möjliga prestanda.

Placering av RF-komponenter

Vid placering av komponenter i RF-kretsblock kräver kretsarna vanligtvis en tätare och fastare placering av delar. Att modifiera denna komponentplacering är en kompromiss som konstruktören måste hantera noggrant för att säkerställa att man kan skapa kortet med standardiserad och automatiserad monteringsutrustning. Detta bidrar till att förhindra att tillverkningskostnaderna ökar.

Dessutom har ett RF-kort vanligtvis extra metall på sina externa lager för användning i dess elnät, medan komponenter vanligtvis placeras i dessa områden. Även om denna anslutning kan fungera utmärkt för RF-kretsens prestanda, kan problem med kretskortets montering uppstå.

Under layouten kan du också behöva ändra komponenterna. Dessa kan inkludera att ändra form och storlek på kretskortets fotavtrycksplattor och att införliva metallformer och funktioner i fotavtrycket. Dessa uppgifter hanteras individuellt av kortetets komponenter snarare än att ändra basbibliotekssektionen. Låt oss nu överväga några krav på spårningsrouting som kan komma att spela in under RF-kretskortsdesign.

Spårningsrouting

Liksom alla höghastighetsrutter kommer direkt, kort routing med olika bredder att vara nödvändig för högre strömförbrukningsspår och kontrollerad impedansrouting. Nedan följer några punkter om RF-routing att beakta.

● Majoriteten av spårningsroutningen måste läggas till manuellt för vissa RF-topologier

● Att sätta upp och använda designreglerna är avgörande för framgång

● Även routingfunktioner som kopiera och klistra in kan vara viktiga vid replikering av liknande kretsområden

● Vior skapar stängsel runt jordplansområdena för avskärmning

● Gerade hörn hjälper till att minska eventuella impedansfluktuationer

För flera RF-konstruktioner behandlas vissa routingområden som komponenter. Routing av denna typ kräver verktyg som hanterar parametrisk komponentrouting för att skicka spårsegmenten till RF-analyssystemen.

Dessutom kräver jord- och effektplan högre effekt i RF-konstruktioner och säkerställer att termiska avlastningar hanterar strömmen under automatiserad lödning. Det är också viktigt att skapa metallområden som är udda formade för RF-element, genom att använda dina CAD-verktygs ritningsmöjligheter och sedan konvertera dessa områden till intelligenta nätobjekt.

Vanliga utmaningar och lösningar vid RF-kretskortsdesign

Vanliga utmaningar med RF-kretskort inkluderar minimering av vikt, utgasning, förebyggande av blödning och impedansmatchning. Nedan följer några andra utmaningar:

Svår designprocess

För flerskiktade satellit-kretskort måste du hålla olika komponenter separat. Detta minskar eventuella problem under monteringsprocessen. Dessutom kräver RF-kretskort många lager, där det översta lagret innehåller RF-signalledningar och ett effektsteg. Dessutom kräver kortet jordlager under komponenter som har RF-signaler.

Brus

RF-signaler är känsliga för brus och ännu mer känsliga för olika brustyper än vanliga kretskort. 4e finns i olika brustyper, inklusive bandbegränsat, rosa eller vitt och vitt brus, termiskt brus, flimmer, fasbrus och lavinbrus. Att minska signalbrus, reflektion och ringning i rimlig utsträckning är viktigt.

Brett temperaturområde

En förändring i temperaturnivån är en annan vanlig utmaning att beakta. Att ändra en satellits temperatur kan förändra kretskortets materialegenskaper. Att kontrollera temperaturkoefficienten är nödvändigt för att jämföra kortmaterial och deras lämplighet för olika satellittillämpningar.

Dessutom måste RF-kretskort ha förmågan att avleda värme ordentligt, särskilt i små och trånga utrymmen. Undersök kretskortets värmeledningsförmåga för att förstå hur RF-kretskortsmaterialet avleder värme.

Pålitlighet

Viktminskning beror på den ökande användningen av flerskiktade kretskort och ökad RF-kretstäthet. Dessutom har tillförlitligheten hos pläterade genomgående hål för sammankopplingar mellan lagren blivit ett problem vid drift i extrema temperaturer i rymden.

Vad är ett mikrovågs-PCB?

Mikrovågskretskortet är en typ av RF-kretskort. Det är speciellt utformat för högfrekvent signalöverföring. Dess driftsfrekvens är vanligtvis högre än 1 GHz; det vill säga att det går in i "mikrovågs"-frekvensbandet. Enkelt uttryckt, om din krets behöver sända signaler vid mycket höga frekvenser, till exempel i satellitkommunikation, 5G-basstationer, höghastighetsradar eller militära radarsystem, då använder du sannolikt ett mikrovågskretskort.

RF kontra mikrovågs-PCB

Även om alla mikrovågskretskort tillhör RF-kretskort, det vill säga att de alla används i tillämpningar inom radiofrekvensområdet, är inte alla RF-kretskort kompatibla för signalöverföring på mikrovågsnivå. Till exempel kan vissa RF-kretskort med driftsfrekvenser från 100 MHz till 1 GHz, även om de också används i scenarier som trådlös kommunikation och Bluetooth, inte uppfylla de högre kraven från mikrovågssystem för noggrannhet, impedanskontroll och materialstabilitet.

Därför måste lämpliga RF-kretskortsmaterial väljas från början när man designar RF-kretskort, särskilt när det gäller mikrovågsfrekvensbandet, och strikta riktlinjer för RF-layout och RF-kretskortsdesign måste följas. Detta kan inte bara säkerställa signalens överföringskvalitet, utan också avsevärt förbättra produktens övergripande tillförlitlighet.

Här går vi igenom skillnaderna mellan RF-kretskort och mikrovågskretskort i en tabell:

Leverans	RF-kretskort (radiofrekvenskretskort)	PCB i mikrovågsugn
Frekvensområde	100 MHz – 1 GHz (typiskt RF-område)	1 GHz och högre (mikrovågsområde, vanligtvis används i 3–30 GHz-applikationer)
Signaltyp	Låg- till medelfrekventa RF-signaler som FM, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee	Högfrekventa signaler med hög hastighet, såsom radarvågor, millimetervågskommunikation, satellitlänkar
Vanliga material	Rogers 4350B, Taconic TLX, Isola FR408HR – standard RF-kretskortsmaterial	RT/duroid® 5880, RO3003, RO4003 – specialiserade mikrovågs-PCB-material
Materialegenskaper	Måttlig dielektricitetskonstant (Dk ≈ 3.4–4.2), måttlig förlustfaktor (Df ≈ 0.004–0.009)	Låg Dk (≈ 2.2–3.0), extremt låg Df (≈ 0.0009–0.003) för minimal signalförlust
Lagerstruktur	Kan vara 2-lagers eller flerlagers; lämplig för generell RF-kretskortsdesign	Vanligtvis flerskiktad med strikt RF-layout och isoleringskontroll
Applikationsscenarier	Trådlösa moduler, Bluetooth-enheter, RF-fjärrkontroller, RF-sändtagare	Satellitsystem, 5G mmWave-moduler, militär radar, kommunikationssystem för flyg- och rymdfart
Designkomplexitet	Relativt måttlig, med standardriktlinjer för RF-kretskortsdesign	Hög komplexitet, vilket kräver strikta riktlinjer för RF-layout och mikrovågsimpedansmatchning
Kostnad och tillverkning	Standard PCB-processer, måttlig kostnad	Komplex tillverkning, snäva toleranser, högre kostnad på grund av material- och prestandakrav

Att förstå dessa skillnader hjälper ingenjörer och konstruktörer att välja lämpligt RF-kretskortsmaterial och korttyp för deras specifika frekvensområde och tillämpning. Att välja mellan ett generellt RF-kretskort och ett högpresterande mikrovågskretskort är avgörande för att säkerställa signalkvalitet och övergripande systemtillförlitlighet.

Att välja en pålitlig RF-kretskortstillverkare

Innan du väljer en tillverkare av RF-kretskort finns det några funktioner att tänka på

Erfarenhet

Du vill inte arbeta med ett företag utan erfarenhet av tillverkning av RF-kretskort. Perfektion kommer oftast när det finns erfarenhet. Erfarna tillverkare använder den senaste tekniken och maskineriet vid tillverkning av högfrekventa kretskort.

Med erfarenhet är risken för att RF-kretskortet går sönder liten. För att uppnå bästa resultat, anlita en tillverkare som har lång erfarenhet inom området.

certifiering

Kvalitet bör vara en avgörande faktor innan man väljer en tillverkare av RF-kretskort. Det första man bör tänka på är tillverkarens kvalitetsledningssystem (QMS). Minimikravet är ISO 9001-certifiering. Det indikerar att det finns ett grundläggande QMS.

Inkluderat är arbetsinstruktioner, procedurer, processer, kvalitetsmanualer, kvalitetspolicyer, förebyggande åtgärder etc. Vissa certifieringar hjälper till att bevisa ett företags kompetens. Dessa inkluderar ISO 13485, A-610, A-600 och IPC J-STD.

Tekniska förmågor

Det är viktigt att arbeta med en RF-kretskortstillverkare med enastående teknisk kapacitet som PCBasic. Dessa kapaciteter inkluderar lämpliga design- och materialval, bearbetningsteknik, strikt kvalitetskontroll och skick på den utrustning som används.

Rättvis prissättning

Innan du samarbetar med en tillverkare av RF-kretskort, ta reda på kostnaden. Du kan göra detta genom att kolla in olika tillverkares webbplatser för att förstå de olika marknadspriserna.

Slutsats

Design och tillverkning av RF-kretskort kräver lämpligt materialval, designregler och tillverkningsprocesser. Det är därför det är viktigt att arbeta med en pålitlig tillverkare av RF-kretskort som PCBasic.