Der digitale Leitfaden für Ingenieure zu RF-PCB-Designrichtlinien: Layout und Verdrahtung

Ich arbeite mit vielen verschiedenen Leuten in der Elektronikbranche zusammen, einschließlich einiger Unternehmen auf der Material- und Halbleiterseite. Während eines Meetings bemerkte ein Startup-Gründer zu mir: „EEs mussten RF-Design nur lernen, um ihre Qualifikationsprüfungen zu bestehen. Jetzt müssen wir zurückgehen, einige Bücher über RF-PCB-Design lesen und es für die Produkte, die wir entwerfen, neu lernen.“ Aus einem Laser- und Optik-Hintergrund kommend, sind mir RF-Design und allgemein analoges Design natürlich, und ich unterschätze immer die Schwierigkeit im digitalen Design. Jetzt, mit modernen Systemen, die mit höheren Frequenzen arbeiten, mehrere drahtlose Protokolle integrieren und mit vielen analogen Sensoren interagieren, erfordern fortschrittliche Entwürfe Wissen aus beiden Disziplinen.

Wenn Sie ein Digitaldesigner sind, fühlen Sie sich in der Zeitdomäne wohl und haben wahrscheinlich ein ausgezeichnetes konzeptionelles Verständnis des zeitabhängigen Verhaltens von Elektronik. Wenn Sie nun beginnen, im RF-Bereich zu arbeiten und ein rein analoges oder gemischtes System entwerfen müssen, wird das RF-PCB-Layout zu einer neuen Spezialität werden müssen. Sobald Sie Ihr RF-PCB-Layout erstellt haben, gibt es einige Feldlöser-Tools, die Sie verwenden können, um Ihre Entwürfe zu bewerten und sicherzustellen, dass Ihr System wie beabsichtigt funktioniert. Wenn Sie ein Digitaldesigner sind und nun in das Hochfrequenz-Analogdesign einsteigen, lesen Sie weiter, um mehr über die Richtlinien für das RF-PCB-Design im Layout und Routing zu erfahren.

Einsteigen in die Richtlinien für RF-Layouts

Wenn Sie mit einem RF-PCB-Layout beginnen, gibt es einige Überlegungen, die für jede Platine typisch sind. Wie groß ist die Platine? Wo müssen die kritischen Komponenten oder Anschlüsse platziert werden? Wie wird sie mechanisch in ihr Gehäuse passen? Dies sind alles wichtige Fragen für jedes PCB, aber RF-Systeme bringen einige einzigartige Designüberlegungen mit sich, die beantwortet werden müssen.

Hier sind einige der wichtigen Fragen, die beim Entwickeln eines RF-PCB-Layouts oder eines digitalen Systems mit einem Hochfrequenz-RF-Abschnitt beantwortet werden müssen:

• Welche Protokolle sind beteiligt?RF-Systeme müssen mit hohen Frequenzen arbeiten, die möglicherweise einem standardisierten Protokoll und Frequenzbereich folgen. Es könnte auch mehr als ein Protokoll im System geben, und verschiedene Protokolle sollten sich nicht gegenseitig stören.
• Welche Frequenzen sind beteiligt? Allgemein sind niedrigere Frequenzen nachsichtiger als höhere Frequenzen, da Parasiten bei niedrigeren Frequenzen weniger auffällig sind. RF-Systeme koppeln auch weniger wahrscheinlich abgestrahlte Störungen bei niedrigeren Frequenzen aneinander.
• Welche digitalen Schnittstellen sind beteiligt? Bei einigen Systemen können die digitalen Schnittstellen langsamere Flankensteilheiten haben (SPI, I2C usw.), sodass sie möglicherweise keine große Auswirkung auf die analoge Leistung haben, es sei denn, man ignoriert die besten Praktiken für Routing und PCB-Layout. Eingebettete Systeme mit hoher Rechenleistung verwenden Hochgeschwindigkeitsprotokolle wie Gigabit Ethernet, DDR, PCIe und andere, die leichter Übersprechen in ein RF-Signalsystem erzeugen können.

Offensichtlich ist der Begriff „Hochfrequenz“ subjektiv, aber der wichtige Punkt ist, dass die Frequenz viele Designentscheidungen in einem HF-PCB-Layout beeinflussen wird. Dann gibt es systemspezifische Anforderungen, wie man sie beispielsweise bei einem Radar-PCB oder einem System mit MIMO-Antennen sehen könnte. Die analogen und digitalen Abschnitte müssen aufgrund der Art und Weise, wie analoge Komponenten mit HF-Signalen interagieren, unterschiedlich behandelt werden. Dies wird dann Ihre Auswahl der Komponentenplatzierung und das Routing im Layout beeinflussen.

Mixed-Signal-PCB-Flächenplanung

Digitaldesigner sollten sich einem HF-System mit einem Flächenplanungsansatz nähern. Das übergeordnete Ziel hier ist es, Komponenten basierend auf ihrer Rolle bei der Bereitstellung von Funktionalität für das Produkt in funktionale Blöcke zu gruppieren. Ein Nebenziel ist es, eine Situation zu vermeiden, in der Sie lange HF-Verbindungen über das gesamte Board routen müssen, um die erforderlichen Verbindungen herzustellen. Ich und mein Team werden dies in den Schaltplänen tun, nur um die Dinge einfach zu halten, sobald wir sie in das PCB-Layout importieren, und dies von Anfang an zu tun, hilft Ihnen, die Dinge organisiert zu halten.

Versuchen Sie, die Dinge kompakt zu halten und sie nach Möglichkeit in verschiedene Blöcke zu segmentieren. Wenn Sie beginnen, Ihre funktionalen Blöcke aufzuteilen, besteht das Risiko, dass Sie RF- und digitale Spuren hin und her über das Board routen müssen. Dies schafft dann mehr Stellen, an denen starke Übersprechen auftreten kann, und es wird schwieriger, Ihren Rückweg über das gesamte Board zu verfolgen. Die Bodenplanung muss zusammen mit einer anderen wichtigen Aufgabe durchgeführt werden: dem Entwerfen des PCB-Stack-ups.

PCB-Stackup-Design für RF-Geräte

Das Stack-up-Design steht in Beziehung zur Bodenplanung, da Ihre Routing-Strategie und das Layout eine Erdungsstrategie erfordern, insbesondere bei praktischen RF-Frequenzen. Der PCB-Stack-up, den Sie verwenden, bestimmt Ihren Zugang zu Strom und Masse im PCB-Layout sowie den verfügbaren Platz für das Routing von Signalen auf Ihrer Platine. Ein Beispiel für einen 8-Lagen-PCB-Stack-up, den Sie für ein RF-Design verwenden können, wird unten gezeigt. Obwohl dies nicht typisch ist, bietet es das Muster für die Auswahl der Schichten und die Anordnung von Signal- gegenüber Planeschichten im Stack-up für langsame, schnelle und RF-Signale.

In diesem Beispiel-Stack-up gibt es Leiterbahnen auf der obersten Oberflächenschicht, um direkte Verbindungen zwischen hochfrequenten analogen Komponenten herzustellen; diese könnten in einem der unten präsentierten Routing-Stile verlegt werden. Direkt darunter haben wir Masse-/Stromversorgungsebenen, die nebeneinander liegen, um die Zwischenebenenkapazität zu bieten und sicherzustellen, dass überall im System stabile Energie geliefert wird (sowohl für digitale als auch für analoge Komponenten). In den internen Schichten können wir andere (niederfrequente) RF-Signale haben, oder wir können langsame digitale Signale haben. Auf der Unterseite habe ich die Möglichkeit für Hochgeschwindigkeits-Digitalsignale vorgesehen, obwohl wir diese verschiedenen Signale auch über die oberen und unteren Schichten mischen könnten, solange die Rückwege kontrolliert werden.

Lesen Sie mehr über RF-PCB-Design-Techniken, planen Sie Ihren PCB-Stack-up für gemischte Signalsysteme und verfolgen Sie einen Rückweg in einem aktuellen Artikel von Kella Knack.

Wenn Sie nicht viele digitale Komponenten auf der Platine unterbringen, könnten Sie wahrscheinlich auf 2 Lagen verzichten. Ich würde jedoch argumentieren, dass Sie aufgrund der Notwendigkeit einer Erdung im System mindestens 4 oder 6 Lagen auch bei geringer Komponentenzahl benötigen. Das Ziel der Erdung ist es, das Routing zu unterstützen, worüber ich im nächsten Abschnitt der RF-Layout-Richtlinien sprechen werde.

Erdung planen, um das Routing zu unterstützen

Die Erdung ist wichtig, um einen Rückweg in einem RF-Layout zu definieren, obwohl es besser ist, in Begriffen des Raums auf der Platine zu denken, der von reisenden elektromagnetischen Wellen um eine Leiterbahn besetzt ist. Beachten Sie, dass das Signal, das auf einer Verbindung reist, nicht als fließender Strom auf einem Leiter erscheint; dies ist ein konzeptionelles Modell, das nicht der Realität entspricht. Die Wahrheit ist, dass das elektromagnetische Feld einen gewissen Raum um den Leiter herum besetzt, und die Stärke des Feldes innerhalb dieses Raums wird durch die Anwesenheit von Leitern um die Verbindung herum bestimmt.

Das Feld um die Leiterbahn herum verursacht dann einen Rückstrom, der als Verschiebungsstrom erscheint. Dies liegt daran, dass, wenn wir uns die Anordnung von Mikrostreifenleiterbahn und Massefläche ansehen, wie unten gezeigt, wir zwei Leiter haben, die auf unterschiedliche Potentiale gebracht und durch einen Isolator (das PCB-Laminatmaterial) getrennt sind, wodurch ein Kondensator entsteht. Der Verschiebungsstrom in der Massefläche folgt den elektrischen Feldlinien, da sie an der Massefläche enden.

Warum ist das alles so wichtig für das Layout von HF-PCBs? Der Grund ist, dass das Platzieren von Masse in der Nähe Ihrer Hochfrequenz-Verbindungen das Feld um die Verbindung herum einschränkt und sicherstellt, dass der Rückstrom bei höheren Frequenzen näher an der Leiterbahn bleibt. Ohne die Massefläche in der Nähe einer Leiterbahn wissen wir nicht genau, wo der Rückstrom sein wird, was starke Emission und Empfang von EMI erzeugt.

Um diesen Punkt bezüglich der Erdung schnell zusammenzufassen, haben wir zwei Richtlinien für das Design von HF-PCBs:

• Trennen Sie keine Lagen physisch oder teilen Sie eine Lage in Inseln mit digitalen und analogen Komponenten auf und versuchen Sie, sie mit einem Kondensator zu verbinden. Sie erhalten einen schlecht konzipierten Rückweg, der ein EMI-Problem erzeugt. Verwenden Sie einfach eine einzige Lagen und lernen Sie, Rückwege zu verfolgen.
• Nutzen Sie die Vorteile von Lagen für Masse und Spannung, um die Signal- und Leistungsintegrität zu gewährleisten. Das bedeutet, dass Sie selbst bei einer einfachen RF-Platine mit nur wenigen Komponenten mindestens eine 4-Lagen-Platine benötigen, um die notwendigen Masseflächen bereitzustellen.

Um mehr über die Bedeutung der Erdung in einem RF-PCB-Layout zu erfahren, lesen Sie mehr über Rückleitungswege in Ihrer PCB in diesem aktuellen Artikel.

Verlegen Ihrer RF-Leiterbahnen

Jetzt kommt der spaßige Teil: das RF-Routing. Alle RF-Routings erfordern eine kontrollierte Impedanz. Dies könnte das Platzieren eines Abschlussnetzwerks erfordern, um die Leistungsübertragung in eine Komponente zu gewährleisten (z.B. ein Teiler oder eine Antenne), oder das Platzieren eines Filters/Verstärkers, um bestimmte Frequenzen, die entlang einer Verbindung reisen, anzupassen. Komponenten, die einen integrierten RF-Ausgang haben, könnten die erforderliche Abschaltung bereits on-die haben, also stellen Sie sicher, dass Sie dies überprüfen, bevor Sie irgendwelche Abschlusskomponenten am Treiberende Ihrer RF-Verbindung platzieren.

Leiterbahnengeometrien

Sobald es an der Zeit ist, Ihre kritischen HF-Leiterbahnen zu verlegen, müssen Sie sich für eine Leiterbahngeometrie entscheiden. Bei Wifi-Frequenzen und höher empfehlen die meisten Anwendungshinweise der Komponenten die Verwendung einer geerdeten koplanaren Wellenleitung, um Ihre HF-Leiterbahnen zu verlegen. Es liegt jedoch an Ihnen als Designer, die Vor- und Nachteile verschiedener Leiterbahngeometrien abzuwägen. Ich habe diese in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst.

mehr Schritte. Bei all den oben genannten Geometrien haben wir es im Allgemeinen mit Schmalbandsignalen zu tun, und FR4-Laminate neigen dazu, innerhalb der schmalen Bandbreiten, die man in praktischen drahtlosen/RF-Signalisierungsstandards findet, eine recht geringe Dispersion aufzuweisen. Die einzige Ausnahme, die mir im Moment einfällt, ist das softwaredefinierte Radio, das den gleichen Ansatz für das Design einer Zielimpedanz wie Leiterbahnen für digitale Signale erfordert (d.h. einen Breitbandansatz). Abgesehen von diesem Anwendungsbereich können Sie die FR4-Dispersion im Allgemeinen ignorieren, und Sie erhalten eine genaue Impedanzberechnung mit einem Feldlöser, solange Sie die Dk- und Verlustwinkelwerte bei Ihrer Ziel frequenz kennen.

Die Auswirkung von Leiterbahnlänge und Vias

Ich spreche die Leiterbahnlängen und Durchkontaktierungen bei HF-Verbindungen an, weil sie ähnliche Auswirkungen auf den Gesamtverlust und die Signalverzerrung in einer HF-PCB haben können, allerdings nicht auf die gleiche Weise. Einige Designer behaupten, dass man immer die kürzestmöglichen Leiterbahnlängen bei Hochfrequenzsignalen verwenden sollte, aber sie scheinen nicht ganz zu verstehen, warum das wichtig ist. Verlust ist ein Faktor, aber auch die Eingangsimpedanz, die besonders wichtig in Abschlussnetzwerken und Verbindungen mit Koppelkondensatoren ist.

Kurz gesagt, gibt es eine Liste von HF-Layout-Richtlinien, die man bezüglich der Leiterbahnlängen und der Anzahl der Durchkontaktierungen bei Verbindungen befolgen sollte:
Leiterbahnen zwischen Komponenten in HF-Schaltungen, wie passive Bauelemente in einem Filter, können sich wie Übertragungsleitungen verhalten, selbst wenn die Verkabelung zwischen den Leiterbahnen kurz ist.

• Verluste sind wichtig, aber bei kurzen Verbindungen werden die Verluste von Rückflussverlusten dominiert, die durch eine Fehlanpassung zwischen zwei Impedanzen entstehen. Die Fehlanpassung muss durch das Design einer genauen Impedanz, normalerweise mit einem Feldlöser, behandelt werden.
• Wenn Sie eine Mikrostreifenleitung mit kontrollierter Impedanz entworfen haben, dann verlegen Sie sie auch als Mikrostreifenleitung. Verlegen Sie eine Mikrostreifenleitung nicht als koplanare Wellenleitung, denn das Platzieren von Masseflächen und Durchkontaktierungen um eine Mikrostreifenleitung wird deren Impedanz verändern.
• Vias können sich bei hohen Frequenzen wie Filter oder Resonatoren verhalten, wie zum Beispiel Durchkontaktierungen bei mmWave-Frequenzen. Leiten Sie nicht durch zu viele Vias, da sich Verluste summieren können, und lassen Sie keine Via-Stummel auf Hochfrequenz-Übertragungsleitungen zurück.
• Befolgen Sie andere Standard-Routing-Richtlinien für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-PCBs, um sicherzustellen, dass Sie die Impedanz aufrechterhalten und Verluste/Verzerrungen minimieren. Ich werde das Routing in einem zukünftigen Artikel näher besprechen.

Das RF-PCB-Layout kann für digitale Designer komplex sein, aber die Designfunktionen in Altium Designer® helfen Ihnen, mit hoher Genauigkeit zu routen und Ihr Design zur Analyse in Ansys-Feldlösern mit dem EDB Exporter-Utility zu exportieren. Altium Designer und Ansys haben sich zusammengetan, um RF-Ingenieuren und PCB-Designern eine einfache Möglichkeit zur Zusammenarbeit an Hochfrequenzdesigns zu bieten und ein RF-PCB-Layout vollständig zu bewerten.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Altium 365-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte. Funktionen wie Kommentieren, Designfreigabe und Verwaltung des Benutzerzugriffs ermöglichen es Ihnen, Ihr RF-PCB-Layout problemlos durch eine PCB-Designprüfung zu führen, bei der erforderliche Änderungen im PCB-Layout markiert und zur Modifikation an einen Designer zurückgesendet werden können. Altium 365 erleichtert auch das schnelle Teilen Ihrer Fertigungsdaten mit Ihrem PCB-Hersteller, ohne E-Mails zu senden oder externe Chatprogramme zu verwenden.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 in diesem RF-Design-Blog möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Funktionsbeschreibung zu RF-PCB-Design-Techniken oder eines der On-Demand-Webinare überprüfen.