PCB-Design für Hochfrequenzschaltung und elektromagnetische Kompatibilität

Die Entwicklung der Kommunikationstechnologie hat allmählich breite Anwendungen von drahtlosen Hochfrequenz-(RF)-Schaltungen erlebt, wie in den Bereichen Mobiltelefone, Bluetooth-Produkte, und HF-Schaltungen waren die Kerntechnologie der Funkausbreitung. In den letzten Jahren führten die allmähliche Verbreitung von 4G und der offensichtliche Anstieg der Größenordnung der Datenübertragung jedoch zu Herausforderungen für das PCB-Design von HF-Schaltungen. Schließlich steigt die Anzahl der von HF-Schaltungen übertragenen Signale jeden Tag um das Hundertfache. Da HF-Schaltungen hauptsächlich in tragbaren Vorrichtungen angewendet werden, die die Eigenschaften kleiner Abmessungen und Tragbarkeit aufweisen, liegt die grundlegende Anforderung an die gesamte Schaltung in einem kleinen Volumen, einem gleichmäßigen und vernünftigen Routing und einer Nicht-Interferenz zwischen Mikrokomponenten. Dennoch scheint es unvermeidbar, dass elektromagnetische Interferenzen zwischen Komponenten innerhalb von Mobiltelefonen auftreten. Mach dir keine Sorgen. Einige Operationen können angewendet werden, um den durch elektromagnetische Interferenz verursachten Einfluss effektiv zu reduzieren. Dieser Artikel wird zu einem vernünftigen PCB-Design für HF-Schaltungen führen, und die Eigenschaften dieses Designs umfassen ein kleines Volumen und eine offensichtliche Anti-Interferenz-Fähigkeit.

Auswahl des Substratmaterials

Da einige ICs (integrierte Schaltungen) auf einem Substrat implementiert werden, muss zuerst ein geeignetes Substrat für die HF-Schaltung als Schablone, die elektronische Komponenten trägt, ausgewählt werden. In Bezug auf die Auswahl des Substratmaterials sind die ersten zu berücksichtigenden Elemente die Dielektrizitätskonstante, der dielektrische Verlust und der Wärmeausdehnungskoeffizient, von denen die Dielektrizitätskonstante am wichtigsten ist, da sie die Impedanz und Übertragungsgeschwindigkeit der Schaltung stark beeinflusst, insbesondere solche Schaltungen mit extrem hoher Frequenz, die strenge Anforderungen an die Dielektrizitätskonstante haben. Daher ist es im Allgemeinen eine Regel, Substratmaterial mit relativ kleiner Dielektrizitätskonstante aufzunehmen.

PCB-Designverfahren

• Design von schematischen Diagrammen

Der erste Schritt des PCB-Designs ist das Entwerfen eines schematischen Diagramms, das mit Hilfe von Computern vervollständigt werden muss. Das Schaltplandesign wird durch eine PCB-Designsoftware implementiert, die alle elektronischen analogen Komponenten enthält. Zunächst wird ein Schaltplan entworfen, indem die reale Schaltung im Computer simuliert wird. Dann muss der Schaltplan mit den entsprechenden Komponenten verbunden werden. Als nächstes wird die Betriebssimulation basierend auf einem schematischen Diagramm implementiert, um die Machbarkeit des grundlegenden Betriebs zu bestimmen.

• PCB-Design

Nach dem Entwurf des schematischen Diagramms können das Muster und die Größe der Leiterplatte auf der Grundlage des schematischen Diagramms wissenschaftlich bestimmt werden. Das Muster und die Größe der Leiterplatte können in Übereinstimmung mit Position, Abmessung, Muster und anderen Parametern optimiert werden, damit das gesamte System die optimale Leistung erreicht. Dabei ist es notwendig, die Positionen von Aufnahmebohrungen, Sichtaugen und Referenzbohrungen zu bestimmen.

Suchen Sie alle erforderlichen Komponenten. Gewöhnliche Komponenten sind im Lager leicht zu finden. Wenn Komponenten nicht auf Lager verfügbar sind, müssen Komponenten beschafft oder hergestellt werden. PCBCart verfügt über ein professionelles und stabiles Komponenten-Sourcing-System, auf das sich Kunden verlassen können. Dann müssen die Komponenten verteilt und das Routing um sie herum implementiert werden. Der letzte Schritt besteht darin, den Betrieb der Schaltung zu erkennen, um sicherzustellen, dass die Leistung der Schaltung die Anforderungen erfüllen kann und der Betrieb der Schaltung grundsätzlich stabil sein kann.

Komponentenlayout

Anders als beim gewöhnlichen Komponentenlayout sind alle Komponenten in HF-Schaltungen aufgrund der geringen Größe der Schaltung so klein, dass SMT (Surface Mount Technology) für das Komponentenlayout und Infrarot-Reflow-Ofen zum Löten mikroelektronischer Komponenten angewendet wird. Löten ist ein wichtiges Bindeglied im HF-Schaltungsdesign, dessen Qualität sich direkt auf die Gesamtqualität der gesamten Schaltung auswirkt. Für die Leiterplatte der HF-Schaltung muss eine hervorragende elektromagnetische Verträglichkeit zwischen den elektronischen Komponenten hergestellt werden, was das wichtigste Element ist, das es wert ist, in Betracht gezogen zu werden. Elektromagnetische Strahlung zwischen verschiedenen elektronischen Komponenten beeinflusst den unabhängigen Betrieb jeder elektronischen Komponente, daher ist es notwendig, zuerst die Komponenten mit Anti-Interferenz-Fähigkeit auszuwählen.

Außerdem neigt der Strom in der Schaltung während des Gesamtbetriebs der Schaltung dazu, zur Erzeugung eines Magnetfelds zu führen. Aus Sicht der HF-Schaltung muss daher neben der Betrachtung der Interferenz zwischen Komponenten auch die elektromagnetische Interferenz der Schaltung mit anderen Schaltungen berücksichtigt werden. Das makroskopische Schaltungslayout ist ziemlich kritisch und die folgenden Grundprinzipien des Schaltungslayouts können als Referenz angesehen werden.

Zunächst sollte die Anordnung der Komponenten in einer Reihe angeordnet werden. Die Bestimmung der Richtung des Zinnbeschichtungssystems für den Leiterplatteneintritt wird angewendet, um die Probleme zu verringern, die durch loses Löten verursacht werden. Im Allgemeinen sollte der Abstand zwischen Komponenten 0,5 mm oder mehr betragen, damit Zinnlöten zwischen Komponenten implementiert werden kann. Ansonsten ist ein Löten aufgrund des geringen Abstandes zwischen den Bauteilen nicht realisierbar.

Zweitens müssen alle Schnittstellen im PCB-System miteinander kompatibel sein. Sowohl Positionen, Abmessungen als auch Form von Komponentenschnittstellen müssen berücksichtigt werden, um eine reibungslose Verbindung zwischen ihnen sicherzustellen. Die Komplexität der Schaltung führt unvermeidlich zu einer Differenz des elektrischen Potentials zwischen den Schaltungen. Aufgrund des geringen Abstands zwischen diesen Unterschieden kommt es immer zu Kurzschlüssen. Daher sollten Komponenten mit hohem elektrischem Potential nicht zu nahe beieinander platziert werden, um das Auftreten von Kurzschlüssen zu vermeiden. Im Umfeld von Hochspannung muss mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Schließlich muss die Schaltungsstruktur als Ganzes sorgfältig betrachtet werden, und die Schaltung muss in separate Module geschnitten werden, von denen jedes viele elektronische Komponenten enthält. Die Komponenten sollten nach verschiedenen Modulen verteilt werden. Zum Beispiel sollten Hochfrequenz-Verstärkerschaltungen oder Mischerschaltungen im Prozess des Layouts zusammen platziert werden, so dass die Drahtschleifenfläche effektiv reduziert werden kann, ebenso wie der Schaltungsverbrauch und die elektromagnetische Strahlung. Darüber hinaus ist es in der Lage, die gegenseitige Beeinflussung zwischen verschiedenen Modulen zu stoppen.

Routing

Das Routing wird nach dem Grundlayout implementiert, unterteilt in detailliertes Routing und Gesamtrouting. Ersteres bezieht sich auf das Routing innerhalb verschiedener Module in der Schaltung. Obwohl ein detailliertes Routing im IC-Design stattfinden kann, wird ein vorläufiges detailliertes Routing vor der Beschaffung von Komponenten abgeschlossen. Manchmal ist nur eine kleine Änderung erforderlich.

Gesamt-Routing bezieht sich auf das gegenseitige Routing zwischen verschiedenen Modulen oder das Netzwerk-Routing zwischen Stromversorgung und jedem Modul. Bei der Gesamtführung sind einige Aspekte zu berücksichtigen. Aufgrund von Positionsbesonderheiten und unterschiedlichen Abständen zwischen den Modulen ergeben sich viele Einschränkungen. Wenn jedes Modul als Punkt betrachtet und die Verbindung zwischen den Punkten bestimmt wird, wird der beste Plan mit der kürzesten Leitungslänge generiert, um Materialkosten zu sparen und die Schaltung einfach und sauber aussehen zu lassen.

Hilfreiche Ressourcen:
• Sicherstellung des Ersterfolgs beim PCB-EMV-Design
• PCB-Partitionierungsdesignregeln zur EMV-Verbesserung
• Richtlinien für das HF- und Mikrowellen-PCB-Design
• Rückschläge und Lösungen in HF-PCB-Design
• PCB-Fertigungsservice mit vollem Funktionsumfang von PCBCart – Mehrere Mehrwertoptionen
• Erweiterter PCB-Bestückungsservice von PCBCart – ab 1 Stück