Rückschläge und Lösungen im HF-PCB-Design

Beim Design von RF (Radio Frequency) PCB (Printed Circuit Board) sind viele Unsicherheiten vorhanden, die daher als "schwarze Kunst" bezeichnet werden. Wenn es um Schaltungen mit Frequenzen unterhalb der Mikrowelle geht (einschließlich Niederfrequenz- und Niederfrequenz-Digitalschaltungen), ist ein sorgfältiges Layout im Allgemeinen die Garantie für den erstmaligen Erfolg beim Schaltungsdesign, wenn alle Designprinzipien beherrscht werden. Wenn es jedoch um Frequenzen über Mikrowellen- und Hochfrequenz-Digitalschaltungen auf PC-Ebene geht, können zwei bis drei Versionen von PCBs die Schaltungsqualität sicherstellen. Was HF-Schaltungen bei einer Frequenz über Mikrowellen betrifft, sind jedoch weitere Versionen des PCB-Designs für eine ständige Verbesserung erforderlich. Daher werden beim Entwurf von HF-Schaltungen mit Sicherheit viele Schwierigkeiten auftreten.

Die am häufigsten auftretenden Probleme beim Design von HF-Schaltungen

• Interferenz zwischen Digital Circuit Module und Analog Circuit Module

Wenn die analoge Schaltung (HF-Schaltung) und die digitale Schaltung unabhängig voneinander arbeiten, ist es höchstwahrscheinlich, dass sie perfekt funktionieren. Sobald sie jedoch auf derselben Platine mit derselben Stromversorgung gemischt werden, wird das gesamte System möglicherweise instabil, da digitale Signale häufig zwischen Masse und positiver Stromversorgung (> 3 V) schwingen und die Periode sehr kurz ist eine Skala von Nanosekunden. Aufgrund der größeren Amplitude und der kürzeren Schaltzeit enthalten alle digitalen Signale hochfrequente Elemente, die von der Schaltfrequenz unabhängig sind. In analogen Abschnitten beträgt die Spannung normalerweise weniger als 1 μV von der Radio-Abstimmschleife zum Empfänger der Funkausrüstung. Daher kann der Unterschied zwischen Radio-Abstimmschleife und HF-Signalen 120 dB erreichen. Wenn digitale Signale und HF-Signale nicht sauber getrennt werden, werden offensichtlich schwache HF-Signale möglicherweise Schaden erleiden. Infolgedessen verschlechtert sich die Funktionsfähigkeit der Funkausrüstung oder sie kann nicht einmal funktionieren.

• Rauschstörungen der Stromversorgung

Die HF-Schaltung ist ziemlich empfindlich gegenüber Rauschen, was insbesondere für Störspannungen und andere hochfrequente Oberwellen gilt. Mikrocontroller absorbieren plötzlich den größten Teil des Stroms innerhalb jeder internen Taktperiode, was daran liegt, dass alle modernen Mikrocontroller mit der Anwendung der CMOS-Technik hergestellt werden. Nehmen wir daher an, dass ein Mikrocontroller mit einer internen Taktfrequenz von 1 MHz läuft und dann mit einer solchen Frequenz Strom aus der Stromversorgung zieht. Wenn keine geeignete Leistungsentkopplung angewendet wird, werden Spannungsspitzen auf Stromleitungen geweckt. Wenn Spannungsstörungen an den Stromanschlüssen der HF-Schaltung ankommen, wird möglicherweise ein schwerwiegender Fehler verursacht.

• Unangemessener GND

Wenn GND für die HF-Schaltung unangemessen eingestellt ist, können einige seltsame Ergebnisse erzeugt werden. Wenn es um das Design digitaler Schaltungen geht, können die meisten digitalen Schaltungsfunktionen auch dann hervorragend implementiert werden, wenn GND nicht verfügbar ist. Aus HF-Sicht spielt jedoch auch eine kurze Masseleitung eine gleichwertige Rolle als Induktivität. Es ist bekannt, dass eine Induktivität mit 1 nH mit einer Länge von 1 mm kompatibel ist, woraus man grob abschätzen kann, dass die induktive Reaktanz einer Leiterplatte mit einer Länge von 10 mm ungefähr 27 Ω betragen sollte. Wenn GND nicht angelegt wird, sind die meisten Masseleitungen so lang, dass die Schaltung aufgrund des Designs keine Eigenschaften mehr aufweist.

• Abgestrahlte Interferenz durch Antenne auf anderen analogen Schaltungen

Im PCB-Layout-Design sind auch andere analoge Schaltungen auf der Platine verfügbar. Beispielsweise enthalten viele Schaltungen Analog-Digital-Wandler (ADC) oder Digital-Analog-Wandler (DAC). Die vom HF-Sender übertragenen Hochfrequenzsignale kommen möglicherweise am analogen Eingangsanschluss des ADC an, da jede Schaltungsleitung HF-Signale wie eine Antenne sendet oder empfängt. Wenn der Eingangsanschluss des ADC nicht angemessen verarbeitet wird, werden HF-Signale möglicherweise innerhalb der ESD-Diode des ADC-Eingangs selbsterregt, was dann eine ADC-Abweichung hervorruft.

Prinzipien und Schema des HF-Schaltungsdesigns

• Definition des RF-Layouts

Beim Entwurf des HF-Layouts sollten zunächst die folgenden allgemeinen Prinzipien eingehalten werden:
① Hochleistungsverstärker (HPAs) und rauscharme Verstärker (LNAs) sollten so weit wie möglich getrennt werden. Kurz gesagt, hochfrequente HF-Sendeschaltungen werden weit entfernt von niederfrequenten HF-Empfangsschaltungen platziert.
② Im Hochfrequenzbereich sollte auf der Leiterplatte mindestens eine vollständige Masse vorhanden sein und am besten keine Durchgangslöcher aufweisen darauf platzieren. Je größer die Kupferfolienfläche ist, desto besser.
③ Es ist gleichermaßen wichtig, dass Schaltungen und Strom entkoppelt werden.
④ Der HF-Ausgang sollte weit vom HF-Eingang entfernt sein.
⑤ Empfindliche analoge Signale sollte so weit wie möglich von digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen und HF-Signalen entfernt sein.

• Entwurfsprinzipien der physikalischen Partitionierung und der elektrischen Partitionierung

Partitionierung kann in physische Partitionierung und elektrische Partitionierung eingeteilt werden. Ersteres befasst sich hauptsächlich mit Komponentenlayout, Ausrichtung und Abschirmung, während letzteres weiter in Stromverteilung, HF-Routing, empfindliche Schaltkreise, Signale und Erdungspartitionierung unterteilt werden kann.

a. Physikalisches Partitionierungsprinzip

Prinzip des Komponentenlayouts. Das Komponentenlayout spielt eine wesentliche Rolle, um zu einem gut funktionierenden HF-Design beizutragen. Die effektivste Technologie besteht darin, zuerst Komponenten zu reparieren, die entlang des HF-Pfads platziert sind, und ihre Ausrichtung so zu ändern, dass der HF-Pfad minimiert werden kann, wobei der Eingang weit vom Ausgang entfernt ist und Hochleistungsschaltkreise und Niederspannungsschaltkreise so weit wie möglich getrennt sind.

Konstruktionsprinzip der PCB-Laminierung. Das effizienteste Schaltungslaminierungsverfahren besteht darin, die Hauptmasseebene auf der zweiten Schicht unterhalb der ersten Ebene anzuordnen und HF-Leiterbahnen auf der ersten Ebene anzuordnen. Die Größe der Durchgangslöcher im HF-Pfad sollte auf ein Minimum reduziert werden, was die Pfadinduktivität und die Anzahl der kalten Lötstellen auf der Hauptmasse verringern kann. Darüber hinaus wird weniger HF-Energie an andere Bereiche innerhalb der Laminierung abgegeben.

HF-Komponenten und HF-Trace-Prinzip. Innerhalb des physikalischen Raums sind lineare Schaltungen wie mehrstufige Verstärker in der Lage, alle HF-Bereiche zu trennen, aber Duplexer, Mischer und Mittelfrequenzverstärker/Mischer führen häufig zu gegenseitigen Interferenzen zwischen mehreren HF/ZF-Signalen. Daher sollte diese Art von Einfluss sorgfältig minimiert werden. HF/ZF-Spuren sollten gekreuzt und eine Erdung zwischen ihnen belassen werden. Der richtige HF-Pfad ist für die PCB-Leistung sehr wichtig, weshalb das Komponentenlayout den größten Teil der Zeit beim PCB-Design von Mobiltelefonen ausmacht.

b. Elektrisches Partitionierungsprinzip

Prinzip der Kraftübertragung. Der Gleichstrom in den meisten Schaltungen von Mobiltelefonen ist normalerweise ziemlich niedrig, sodass die Leiterbahnbreite nicht sorgfältig berücksichtigt werden muss. Für die Stromversorgung von Hochleistungsverstärkern muss jedoch eine möglichst breite Leiterbahn mit großem Strom eigenständig ausgelegt werden, um die übertragene Spannung auf ein Minimum zu reduzieren. Um einen zu hohen Stromverlust zu vermeiden, sollten mehrere Durchgangslöcher angebracht werden, um Strom von einer Ebene zur anderen zu übertragen.

Leistungsentkopplung von Hochleistungsgeräten. Wenn an den Leistungspins des Hochleistungsverstärkers keine vollständige Kopplung erreicht werden kann, wird Hochleistungsrauschen auf die gesamte Platine abgestrahlt, was zu vielen Problemen führt. Die Erdung von Hochleistungsverstärkern ist sehr wichtig, und für ihr Design wird normalerweise eine Metallabschirmung benötigt.

Prinzip der HF-Eingangs-/Ausgangstrennung. In den meisten Situationen ist es gleichermaßen wichtig sicherzustellen, dass der HF-Ausgang weit vom HF-Eingang entfernt ist, was auch für Verstärker, Stoßfänger und Filter gilt. In den schlimmsten Situationen, wenn der Eingang des Verstärkers und des Stoßfängers mit einer angenehmen Phase und Amplitude an ihren Eingangsanschluss zurückgeführt wird, kann eine selbsterregte Vibration verursacht werden. In den besten Situationen können sie bei jeder Temperatur und Spannung stabil arbeiten. Tatsächlich können sie instabil werden und RF-Signalen Rauschen und Intermodulationssignale hinzufügen.

Alles in allem weist die HF-Schaltung aufgrund ihrer verteilten Parameterschaltung einen Skin-Effekt und einen Kopplungseffekt auf, der sie von der Niederfrequenzschaltung und DC unterscheidet. Daher sollten die oben diskutierten Probleme während des PCB-Designs von HF-Schaltungen besonders hervorgehoben werden, damit das Schaltungsdesign effektiv und genau sein kann.

Hilfreiche Ressourcen
• Richtlinien für das HF- und Mikrowellen-PCB-Design
• PCB-Design für Hochfrequenzschaltkreise und elektromagnetische Kompatibilität
• PCBCart bietet einen Fertigungsservice für Hochfrequenz-PCB