Richtlinien für das HF- und Mikrowellendesign

HF- und Mikrowellenschaltungen gehören heute zu den gängigsten PCB-Designs in der Elektronikindustrie, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, höhere Frequenzen als normale Schaltungen zu erfassen. Früher zu kostspielig, um sie außerhalb der Militär- und Luft- und Raumfahrtindustrie herzustellen, sind HF- und Mikrowellenschaltungen heute integrale Bestandteile einer breiten Palette kommerzieller und professioneller Produkte, insbesondere drahtloser Kommunikationsgeräte wie Mobiltelefone, Satellitensender und drahtloser Netzwerke. Bei höheren Frequenzen ergeben sich jedoch mehr Designherausforderungen.

Um sicherzustellen, dass diese Hochfrequenz-HF- und Mikrowellenschaltkreise erfolgreich sind, müssen Lieferanten mehrere HF- und Mikrowellen-Designtechniken für PCBs berücksichtigen.

HF- und Mikrowellen-PCB-Grundlagen

Die einfachste Art, HF- und Mikrowellen-Leiterplatten zu beschreiben, besteht darin, dass sie Komponenten enthalten, die HF- oder Mikrowellensignale übertragen. Diese Signale variieren in der Frequenz, und die Unterschiede in der Frequenz definieren die Unterschiede in den Komponenten zwischen HF- und Mikrowellen-PCBs und anderen PCB-Typen. Das Verständnis der Grundlagen von HF- und Mikrowellenfrequenzen ist jedoch der erste Schritt zum Verständnis des HF-PCB-Designs und des Mikrowellen-PCB-Designs.

Im Wesentlichen ist ein elektronisches Signal eine Größe, die sich im Laufe der Zeit ändert und eine Art von Information übermittelt. Die Größe, die variiert, ist normalerweise Spannung oder Strom. Diese Signale werden zwischen Geräten ausgetauscht, um Informationen wie Audio, Video oder verschlüsselte Daten zu senden und zu empfangen. Während diese Signale häufig über Kabel übertragen werden, können sie auch über Hochfrequenz- oder HF-Wellen durch die Luft übertragen werden.

Diese Hochfrequenzwellen variieren zwischen 3 kHz und 300 GHz, sind aber aus Gründen der Praktikabilität in kleinere Kategorien unterteilt. Zu diesen Kategorien gehören die folgenden:

• Niederfrequenzsignale: Dies sind die Signale, die von den meisten herkömmlichen analogen Komponenten verarbeitet werden, und sie umfassen Signale mit Frequenzen bis zu 50 MHz.

• HF-Signale: Während Hochfrequenz- oder HF-Signale technisch gesehen einen breiten Bereich von Signalfrequenzen abdecken, verwenden Schaltungsdesigner den Begriff in einem engeren Bereich. Innerhalb dieses Bereichs reicht eine HF-Signalfrequenz typischerweise von 50 MHz bis 1 GHz. Dies sind die gleichen Signalfrequenzen, die bei der AM/FM-Übertragung verwendet werden.

• Mikrowellensignale: Mikrowellensignale weisen Frequenzen über 1 GHz auf. Die Obergrenze dieser Signale liegt bei etwa 30 GHz. Dies sind die gleichen Mikrowellen, die verwendet werden, um unser Essen in Mikrowellenherden zu kochen. Sie werden auch zur Übertragung von Signalen mit sehr hoher Bandbreite verwendet.

Die oben beschriebenen Signale fallen in die Kategorie der analogen Signale, obwohl HF- und Mikrowellensignale deutlich höher sind als die meisten analogen Standardsignale, die in herkömmlichen PCB-Designs verwendet werden. Analoge Signale unterscheiden sich von Natur aus von digitalen Signalen, und jede Kategorie erfordert unterschiedliche Komponenten, um ihre Signale zu verarbeiten. Diese Signale werden nachstehend ausführlicher beschrieben:

• Analogsignale: Ein analoges Signal variiert kontinuierlich über die Zeit, und wenn Sie dieses Signal in einem Diagramm betrachten, zeigt es sich als glatte Welle. Auf dieser Welle gibt es unendlich viele Wertmöglichkeiten innerhalb eines begrenzten Bereichs von Maximal- und Minimalwerten. Die meisten elektronischen Komponenten (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren usw.) arbeiten mit analogen Signalen, obwohl rein analoge Schaltungen viel schwieriger zu entwerfen sind als digitale Leiterplatten. Dies liegt vor allem an ihrer Störanfälligkeit und anderen Problemen. Standard-Analogsignale liegen typischerweise zwischen DC und 100 MHz oder so, aber ihre Frequenz variiert stark. HF-Signale sind von Natur aus analoge Signale.

• Digitale Signale: Im Gegensatz zu analogen Signalen arbeiten digitale Signale mit einem endlichen Satz von Werten. Die Anzahl der Werte in dieser Menge kann sehr groß sein, ist aber nicht unendlich. Es ist üblich, dass diese digitalen Signale mit zwei Werten arbeiten, aber das Signal kann immer nur einer dieser beiden Werte sein. Betrachtet man diese Art von Signal im Laufe der Zeit, sind die durch die Signaländerung erzeugten Wellen quadratisch und nicht kontinuierlich. Digitale Signale können versuchen, die glatten Wellen analoger Signale zu replizieren, aber diese digitalen Wellen bestehen immer aus diskreten Schritten und nicht aus glatten Kurven. Diese diskreten Signale bedeuten jedoch, dass digitale Schaltungen einfacher zu entwerfen sind als analoge Schaltungen, obwohl sie normalerweise teurer sind.

Es ist üblich, dass beide Signale in einem einzigen Schaltkreis arbeiten, mit Komponenten, die darauf ausgelegt sind, ein Signal von einer Form in eine andere umzuwandeln. Diese Arten von Schaltungen sollten jedoch sorgfältig entworfen werden, insbesondere wenn die analogen Komponenten Hochfrequenzsignale wie HF-Signale verarbeiten. Je höher die Frequenz, desto größer ist das Potenzial für Probleme wie Rauschen.

Häufige Probleme und Lösungen für HF- und Mikrowellen-PCB-Designs

PCB-Layouts mit HF- oder Mikrowellenschaltkreisen sind in der Regel viel schwieriger zu entwerfen als die typischen analogen oder digitalen PCBs. Dies liegt an einigen der problematischeren Merkmale und Qualitäten, die mit HF-Signalen verbunden sind. Beachten Sie beim Entwerfen einer HF- oder Mikrowellen-Leiterplatte die folgenden Punkte und Probleme.

Grundlagen des PCB-Designs

Zunächst einmal sollten HF- und Mikrowellen-Leiterplatten so konzipiert sein, dass das Fehlerpotenzial während des Bestückungsprozesses minimiert wird. Zu den grundlegendsten Designrichtlinien für RF-Layouts gehören:

• Teile getrennt halten: Wenn eine Platine mehrere Arten von Teilen hat, wie analoge Low-Level-, HF- und digitale Komponenten, sollten sie getrennt gehalten werden. Dies ist nicht nur für den Konstrukteur einfacher zu handhaben, sondern minimiert auch das Potenzial für katastrophale Probleme während der Montagephase.
• Mehrschichtige Leiterplatten: Idealerweise sollten HF- und Mikrowellen-Leiterplatten mehr als eine Schicht enthalten. Die oberste Schicht sollte die Leistungsstufe sowie HF-Signalleitungen und Komponenten enthalten. Stellen Sie sicher, dass sich bei einer mehrschichtigen Leiterplatte unter jeder Schicht, die HF- oder Mikrowellensignalleitungen enthält, eine Erdungsschicht befindet.
• Rauschempfindlichkeit: HF- und Mikrowellen-PCB-Designer müssen verstehen, wie empfindlich diese Hochfrequenzsignale auf Rauschen reagieren. Während die meisten Designer es gewohnt sind, bei digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen mit einer solchen Empfindlichkeit zu arbeiten, müssen sie bei HF- und Mikrowellensignalen deutlich vorsichtiger sein, da diese noch empfindlicher sind. Diese Signale sind auch anfällig für eine größere Vielfalt von Rauscharten. Diese extreme Empfindlichkeit bedeutet, dass jedes mögliche Signalrauschen, Reflexion oder Klingeln gemildert werden muss.

Rauschen ist ein Begriff, der verwendet wird, um unerwünschte Spannungsschwankungen zu beschreiben, die Fehler und Funktionsprobleme innerhalb der Schaltung erzeugen. Rauschen tritt in verschiedenen Formen auf und fällt je nach Häufigkeitsverteilung in die folgenden Kategorien:

• Weißes Rauschen: Dies ist eine Art von Rauschen, das sich zu allen Frequenzen gleichermaßen addiert.
• Rosa Rauschen: Rosa Rauschen erzeugt keinen flachen Frequenzgang, sondern oszilliert stattdessen mit zunehmender Frequenz.
• Bandbegrenztes Rauschen: Das Frequenzband dieses Rauschens wird entweder durch die Filter oder die Schaltung begrenzt, die es durchläuft.

HF-Rauschen kann aus einer Reihe von Quellen stammen, die ebenfalls nach Typ kategorisiert sind. Diese werden unten zusammen mit Lösungen für jeden Rauschtyp beschrieben:

• Thermisches Rauschen: Diese Art von Rauschen, auch Johnson- oder Johnson-Nyquist-Rauschen genannt, ist das Ergebnis thermischer Bewegung. Diese thermische Störung wirkt sich auf die Ladungsträger in einem Leiter aus, regt sie stärker als beabsichtigt an und erzeugt somit Rauschen. Solche Probleme können normalerweise gelöst werden, indem die Auswirkungen der Temperatur auf den Kreislauf minimiert werden, häufig durch Regulierung der Temperatur durch Kühlsysteme um den Kreislauf herum oder durch Wärmeableitungsmerkmale am Kreislauf selbst.
• Schussgeräusch: Dieses Rauschen kommt von den zeitlichen Schwankungen des elektrischen Stroms, die durch die diskrete Natur der Elektronenladungen verursacht werden. Da dieses Rauschen durch Stromfluss verursacht wird, ist es schwierig, es loszuwerden, obwohl metallische Widerstände dazu neigen, ihr Auftreten zu minimieren. Glücklicherweise tritt Schrotrauschen nur in Geräten wie Tunnelübergängen und Sperrdioden auf.
• Phasenrauschen: Diese Art von HF-Rauschen ist bei Hochfrequenzsignalen sichtbar und kann die Leistung eines Systems erheblich beeinträchtigen. Dieses Rauschen erscheint als Phasenjitter oder Fluktuationen innerhalb des Signals selbst, was sich als Seitenbänder manifestiert, die sich zu jeder Seite des Signals oder Trägers ausbreiten. Dies kann eine besonders problematische Art von Rauschen sein, wenn digitale Informationen übertragen werden, da Phasenrauschen die Bitfehlerrate und damit die Qualität der übertragenen Daten verschlechtern kann. Sauberere Signale sind der beste Weg, um dieses Rauschen zu reduzieren, das früh im Designprozess berücksichtigt werden muss.
• Flimmern: Dieses Rauschen, auch 1/f-Rauschen genannt, tritt in fast jeder Elektronik auf und wird normalerweise durch den Gleichstromfluss verursacht. Es ist proportional zum Kehrwert der Signalfrequenz, aber es manifestiert sich ähnlich wie Phasenrauschen. Die Verarbeitung des Signals durch einen speziellen Filter hilft normalerweise dabei, diese Art von Rauschen zu reduzieren.
• Lawinenrauschen: Dieses Rauschen wird durch eine Sperrschichtdiode verursacht, die zu nahe am Punkt des Lawinendurchbruchs arbeitet. Das Ergebnis ist viel Rauschen, das an der Diode erzeugt wird. Das Entfernen dieses Lawinenrauschens ist so einfach wie die Verwendung eines kondensatorbasierten Filters oder eines Glättungsnetzwerks.

Mit entsprechenden Bandpassfiltern, die die Signale in einem „interessierenden Band“ übertragen, lässt sich viel Rauschen abmildern. Nur Signale innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs können diesen Filter passieren, während der Filter den Rest blockiert. Dies löst jedoch nicht das Problem ungenauer Signale innerhalb des Frequenzbereichs. Idealerweise sollte die Quelle des Rauschens durch eine der oben genannten Methoden entfernt werden.

Impedanzanpassung

Impedanzanpassung ist eine weitere wichtige Anforderung für HF-Leiterplatten. Während digitale Hochgeschwindigkeitssignale in Bezug auf die Impedanzanpassung etwas tolerant sind, ist die Toleranz umso geringer, je höher die Frequenz ist. Bei HF- und Mikrowellensignalen ist diese Toleranz besonders eng.

Es gibt mehrere Dinge zu beachten, wenn Sie die Impedanzanpassung in Ihrem Design in Betracht ziehen. Dazu gehören die folgenden:

• Hauteffektverlust: Bei höheren Frequenzen beginnen Elektronen entlang der äußeren Oberfläche des Leiters zu fließen. Dies wird als „Skin-Effekt“ bezeichnet. An der Spur wird ein kleiner Bereich verwendet, um Elektronen zu trichtern. Dieser Trichter fängt jedoch auch einen Teil der Elektronen ein, die auf der Außenseite des Leiters fließen, und wandelt ihre Signalenergie in Wärme um. Dies wird als „Hauteffektverlust“ bezeichnet. Dieser Verlust wird am besten durch eine geeignete Impedanzanpassung und sogar eine Platinenbeschichtung mit Gold minimiert.

• Zeilenlängen niedrig halten: Je länger die Leitungen sind, die HF-/Mikrowellensignale übertragen, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit eines Signalverlusts. Idealerweise sollte die Linie 1/20 der Wellenlänge betragen. Wenn es länger als 1/16 der Wellenlänge sein muss, auch als kritische Signallänge bezeichnet, müssen Sie eine Impedanzsteuerung auf diese Leiterbahn mit L- und C-Komponenten bis zum Ende der Leitung anwenden.

Rückflussverlust

Rückflussdämpfung wird oft durch Signalreflexion verursacht. Da HF- und Mikrowellensignale empfindlicher auf Signalrauschen reagieren, ist Rückflussdämpfung leider ein größeres Problem. Während Rücksignale normalerweise dem Weg des geringsten Widerstands folgen, neigen Signale mit höherer Frequenz dazu, den Weg der geringsten Induktivität zu nehmen. Solche Pfade neigen dazu, die Masseebenen unter dem ursprünglichen Signal einzuschließen.

Um die Rückflussdämpfung zu minimieren, sollten Masseebenen vom Treiber zum Empfänger durchgehend sein, da das Rücksignal sonst durch andere Leistungsebenen laufen könnte. Da diese alternativen Pfade weniger ideal sind, können sie durch Reflexion und Überschwingen erhebliches Signalrauschen verursachen oder sogar in Form von Wärme verloren gehen.

Übersprechen

Übersprechen ist eine unbeabsichtigte Energieübertragung zwischen Leitern, die zu einem gekoppelten Signal führt. Eine solche Übertragung ist normalerweise das Ergebnis einer gegenseitigen Induktivität und einer Nebenschlusskapazität, und das Auftreten von Übersprechen nimmt tendenziell zu, wenn die Dichte und Leistung einer PCB zunimmt. Auch die Nähe der Leiter, die Distanz, über die sie parallel verlaufen, und die Flankensteilheit der aktiven Leitung spielen eine wesentliche Rolle. Übersprechen ist in der Regel ein ernstes Problem für Hochfrequenzdesigns wie HF- und Mikrowellendesigns, weshalb Entwickler alles tun müssen, um Übersprechen zu verhindern.

Übersprechen sollte so weit wie möglich minimiert werden. Glücklicherweise gibt es mehrere Möglichkeiten, dies zu tun. Zu diesen Methoden gehören:

• Trennsignale: Der Abstand von Mitte zu Mitte sollte idealerweise etwa das Vierfache der Leiterbahnbreite der Signale betragen.

• Parallele Linien minimieren: Wenn die Leitungen unbedingt parallel zueinander verlaufen müssen, halten Sie die Strecke, über die die Leitungen parallel zueinander verlaufen, so gering wie möglich.

• Reduzieren Sie den dielektrischen Abstand: Der dielektrische Abstand zwischen einer Leitung und ihrer Referenzebene sollte minimiert werden.

• Führen Sie eine koplanare Struktur ein: Fügen Sie eine Masseebene zwischen den Leiterbahnen ein.

• Leitung beenden: Das Beenden der Leitung an ihrem Wellenwiderstand kann das Nebensprechen um bis zu 50 Prozent reduzieren.

Laminateigenschaften

Die Eigenschaften eines PCB-Laminats können einen erheblichen Einfluss auf die Funktionalität einer HF- oder Mikrowellen-PCB haben. FR4 beispielsweise hat einen höheren Verlustfaktor als Hochfrequenzlaminate, was bedeutet, dass FR4-Laminate zu höheren Einfügungsverlusten führen können, wenn die Signalfrequenzen steigen. Außerdem neigt die Dielektrizitätskonstante oder der Dk-Wert von FR4 dazu, höher und variabler zu sein als die von Hochfrequenzlaminaten. FR4 Dk-Werte können um bis zu 10 Prozent variieren, was wiederum die Impedanz variiert.

Der dielektrische Verlust ist ein allgemeines Problem, das mit den Eigenschaften des Laminats verbunden ist. Ähnlich wie beim Skin-Effekt tritt ein dielektrischer Verlust auf, wenn Elektronen durch einen Leiter fließen und von den Elektronen des FR4-PCB-Substrats abprallen. Bei der Wechselwirkung dieser Elektronen wird ein Teil der Signalenergie der fließenden Elektronen auf die FR4-Elektronen übertragen, die wiederum die Energie in Wärme umwandeln. Diese Art von Verlust kann vermieden werden, indem Substrate mit sehr niedrigen Verlustfaktoren verwendet werden, wie Polytetrafluorethylen-Teflon, das einen Verlustfaktor von etwa 0,001 im Gegensatz zum Verlustfaktor von FR4 von 0,02 hat.

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