PCB-Designrichtlinien für Hochfrequenz-Schaltungen in Kfz-Radar- und 5G-Anwendungen

Heute früh habe ich auf der Straße etwas sehr Seltsames gesehen. Ein langes, verheddertes VHS-Magnetband wand sich, vom Wind getrieben, die Straße entlang. Es erinnerte mich an einfachere Zeiten mit Blockbustern und Rückspulmaschinen. Wenn Sie dachten, die Rückspulmaschinen wären schnell, dann wird Ihnen von den heutigen Durchbrüchen im Bereich der Elektronik schwindlig werden. Einer der neuesten Umbrüche in der nächsten Generation des PCB-Designs wird von zwei frischen Technologien angetrieben: 5G-Netzwerken und fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS). Beide Technologien benötigen etwas, das PCB-Designer lange gefürchtet haben: den Frequenzbereich der extrem hohen Frequenzen (EHF). Sie sollten Ihre Platinen also auf eine hochfrequente Zukunft einstellen, bevor es ihnen wie BetaMax und Ghettoblastern ergeht.

^{Ein Glück, dass wir das hinter unter uns haben.
(Alternativtext: Magnetband)}

Warum benutzen wir Millimeterwellen?

Waren Funk- und Mikrowellenfrequenzen nicht gut genug? Warum steigen wir auf das EHF-Spektrum um? Es gibt zwei Fortschritte, die uns in höhere Frequenzen zwingen: 5G und ADAS-Radar.

• 5G - Telekommunikationsunternehmen wollen uns von den heutigen 4G/LTE-Geschwindigkeiten und -Latenzen in eine schnellere, schönere Zukunft der 5G-Technik führen. Aktuelle Mobilfunknetze ermöglichen Download-Raten im Bereich von mehreren 10 Megabit pro Sekunde und Latenzen um 70 ms. 5G wird ein großer Sprung auf bis zu 10 GBit/s mit Latenzen unter 10 ms werden. Das alles ist nur möglich, weil 5G im EHF-Spektrum arbeitet. Größere Frequenzbandbreiten bedeuten geringere Latenzen und schnellere Frequenzen ergeben höhere Datenraten. Die Branche erwartet die Einführung von 5G um das Jahr 2018. Bis dahin müssen Sie bereit sein, mit Signalen mit Wellenlängen im Millimeter-Bereich (mm) zu arbeiten.
• ADAS-Radar - Eine bereits verfügbare Technologie ist das Radar für ADAS-bestückte Fahrzeuge. Kollisionserkennungsradar arbeitete früher mit weniger als 30 GHz, der Standard hat sich aber auf 77 GHz verlagert. Da die Hersteller immer mehr Autos mit ADAS-Funktionen bauen, können wir damit rechnen, mehr Radarsysteme auf unseren Straßen zu sehen. Wenn Sie PCBs für Kfz-Radarsysteme jeglicher Art entwerfen wollen, müssen Sie für EHF-Signale gerüstet sein.

Mit dem bevorstehenden Wachstum dieser Technologien wird es zunehmend wichtiger werden, immer mehr über die von Ihnen genutzten Frequenzen zu wissen. Ich schlage Ihnen nun einige Material- und Designrichtlinien vor, mit deren Hilfe Sie sich im schnelllebigen Ökosystem des PCB-Designs zurechtfinden können.

^{5G-Geräte werden Frequenzen nutzen, für die wir bisher selten entworfen haben.}

Materialrichtlinien

Ich habe gerade erst darüber geschrieben, welche Materialien sich für Hochfrequenz-Platinen eignen. Allerdings sind die hier in Rede stehenden Frequenzen etwas höher als normal, weshalb ich einige Punkte wiederholen werde.

• Sehr niedrige dielektrische Konstante (Dk) - Wir Ingenieure finden oft etwas, das funktioniert, und bleiben dann dabei. Vielleicht haben Sie Ihre Hochfrequenzplatinen schon von FR4 umgestellt und denken, dass das für EHF auch reichen wird. Für Millimeterwellen aber müssen Sie Werkstoffe mit der niedrigstmöglichen Dk benutzen. Die Dk-Verluste erhöhen sich nämlich proportional zur Frequenz. Eine einigermaßen geringe Dk ist deshalb nicht mehr akzeptabel.
• Sehr wenig Lötstoppmaske - Sie fragen Ihren Lieferanten sicher nach der Feuchtigkeitsaufnahme Ihres Substrats, aber ganz sicher nicht nach der Lötstoppmaske. Die meisten Lötstoppmasken haben eine sehr hohe Aufnahmefähigkeit und saugen sich förmlich mit Wasser voll, das eine Dk von 70 hat. Eine feuchte Lötstoppmaske aber bedeutet große Verluste in der Millimeterwellen-Schaltung. Sie sollten deshalb für diese PCBs so wenig Lötstoppmaske wie möglich verwenden.
• Sehr glattes Kupfer - Ihr Kupfer muss bei diesen Platinen so glatt wie möglich sein. Die Eindringtiefe ist bei diesen Frequenzen sehr gering. So gering, dass es manchmal auf die Erhebungen und Vertiefungen einer rauen Oberfläche ankommt. Raues Kupfer bedeutet einen längeren Weg für den Strom, was die ohmschen Verluste erhöht. Nutzen Sie also glattes Kupfer.

^{Für ADAS-Radarsysteme im Auto werden wir neue Techniken lernen müssen.}

Physische Richtlinien

Neben dem Material werden Sie auch über geometrische und andere physische Spezifikationen nachdenken müssen. Dabei sind besonders die Laminatdicke und die Spezifikationen der Übertragungsleitungen wichtig.

• Laminatdicke - Nicht nur müssen Sie die richtige Art von Laminat auswählen, sondern auch die passende Laminatdicke. Allgemein sollte Ihre Laminatdicke zwischen ¼ und ⅛ der Wellenlänge der höchsten Arbeitsfrequenz liegen. Ist Ihr Laminat zu dick, kann es mitschwingen und sogar eigene Wellen erzeugen. Denken Sie daran, dass die Laminatdicke auch die Breite Ihrer Leiter beeinflussen kann, und beziehen Sie dies in Ihre Entscheidung mit ein.
• Eigenschaften der Übertragungsleitungen - Bei den Übertragungsleitungen müssen Sie sich für einen Leitertyp entscheiden: Microstrip, Streifenleitung oder mit Masse verbundene, komplanare Wellenleiter (GCPW). Microstrip ist wahrscheinlich am bekanntesten, hat aber Probleme mit Strahlungsverlusten und unzuverlässiger Modenausbreitung jenseits von 30 GHz. GCPW ist eine gute Wahl, bringt aber größere Leiterverluste mit sich als Microstrip oder Streifenleitung. Streifenleitung ist großartig, kann aber schwierig herzustellen sein, was die Kosten erhöht. Außerdem werden Sie Mikro-Durchkontaktierungen nutzen müssen, um die Streifenleitung und die äußeren Lagen mit minimalen Signalreflexionen zu verbinden. Weil Mikro-Durchkontaktierungen schwierig herzustellen sind, arbeiten Sie bei dieser Option besser eng mit Ihrem Hersteller zusammen, um potentielle Defekte zu vermeiden.

Wir Technik-Fans streiten gern. Zuerst war es Betamax gegen VHS, dann Blu-ray gegen HD DVD, Firewire gegen USB und so weiter. Leider werden wir uns nicht gegen hohe Frequenzen in den PCBs der nächsten Generation wehren können. Steigende Datenraten und sich ändernde Technologien wie 5G und ADAS-fähige Autos erhöhen die Frequenzen ebenfalls. Jetzt müssen wir nur noch lernen, damit umzugehen. Sie müssen gut auf die Auswahl der PCB-Materialien für Ihre neuen Hochfrequenz-Designs achten. Auch die physischen Eigenschaften Ihrer Schaltungen müssen Sie im Blick behalten.

Die Zukunft scheint manchmal unheilvoll, aber zum Glück müssen Sie sich ihr nicht alleine stellen. Exzellente  PCB-Design-Software wie Altium Designer kann Ihnen helfen, die Technik von morgen zu meistern. Altium Designer bietet eine große Palette modernster Tools, mit denen das Design für Ingenieure wie Sie kinderleicht wird.

Haben Sie Fragen zum Design von EHF-Schaltungen? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.