Was ist RF-Circuit-Design (HF-Schaltungsdesign)?

Zachariah Peterson
|  Erstellt: July 21, 2021  |  Aktualisiert am: January 24, 2022
RF-Circuit-Design

Entwickler, die digitale Systeme erstellen, sind wahrscheinlich bereits mit einigen Hochfrequenz-Komponenten (HF-Komponenten) und Routing-Stilen vertraut, doch hinter RF-Circuit-Design (im Deutschen HF-Schaltungsdesign genannt) steckt noch viel mehr. So kann ein HF-Schaltkreis integrierte Schaltkreise, diskrete Halbleiter und gedruckte RF-Elemente enthalten, die gemeinsam die erforderliche Funktionalität gewährleisten. Beim RF-Schaltungsdesign werden all diese Elemente zu einem Gesamtsystem kombiniert und ein RF-PCB-Design erstellt.

HF-Schaltkreise sind nicht so intuitiv wie herkömmliche Schaltpläne, und gelegentlich scheint ein Plan gegen grundlegende elektrische Designregeln zu verstoßen. Aufgrund der sich ausbreitenden Schwingungen des elektromagnetischen Feldes verhalten sich Schaltkreise, die bei HF-Frequenzen betrieben werden, jedoch ganz anders als die üblichen integrierten Schaltkreise, die bei Gleichstrom oder in Digitalfrequenzen laufen. Unabhängig davon, ob Sie nun ein System für die drahtlose Kommunikation entwerfen oder nur eine Übertragungsleitung mit einem bestimmten Widerstandswert entwerfen müssen, sollten Sie bestimmte Grundlagen der Hochfrequenztechnik beachten.

  1. Einführung in das HF-Schaltungsdesign
  2. Planung Ihrer Leiterplattenkonstruktion
  3. Typische RF-Schaltungsdesigns
  4. Tools für das RF-Schaltungsdesign und -Layout

Es wird oftmals darüber gescherzt, dass man sein Wissen über das Hochfrequenz-Design (HF-Design) für integrierte Schaltkreise und PCBs eigentlich nur braucht, um die entsprechenden Prüfungen in der Universität zu bestehen. Allerdings müssen viele moderne Fachprodukte heutzutage mit einer Mixed-Signal-Komponente betrieben werden, einen drahtlosen Übertragungsblock enthalten oder eine Hochfrequenzanwendung wie Radar unterstützen können. Das HF-Design ist wieder im Kommen. Entwickler, die mit diesem Thema nicht vertraut sind, können ihre Kenntnisse mithilfe dieses Leitfadens auffrischen.

Einführung in das HF-Schaltungsdesign

HF-Schaltkreise sind so konzipiert, dass sie die herkömmlichen Schaltkreiselemente und einige einfache integrierte Schaltkreise durch die Konstruktion von Strukturen mit gedruckten Elementen auf einer Leiterplatte nachbilden. Dabei wirken HF-Schaltkreise manchmal ein wenig fremdartig, da sie nicht immer die handelsüblichen Komponenten verwenden, die wir alle kennen. Stattdessen verwenden HF-Schaltkreise gedruckte Leiterbahnen auf einer Leiterplatte sowie einige weitere Komponenten, mit denen die gewünschte Funktionalität einer Leiterplatte erreicht werden soll.

Gedruckte HF-Schaltkreise

Bei den gedruckten Bereichen einer HF-Leiterplatte werden Kupferleiterbahnen zur Erstellung der Schaltungselemente eingesetzt. Die Anordnung der Leiterbahnen, Kondensator- oder Induktorelemente und Halbleiter in einem HF-Schaltkreis scheint auf den ersten Blick wenig intuitiv zu sein, aber sie nutzt das Ausbreitungsverhalten im elektromagnetischen Feld, um das gewünschte elektrische Verhalten zu erzeugen. Bei der Konzeption eines HF-Schaltungsdesigns und den elektrischen Eigenschaften von HF-Schaltkreisen auf einer Leiterplatte gilt es einige wichtige Punkte zu beachten:

  • Passivität: Alle gedruckten HF-Schaltkreise liegen passiv vor. Dieser Zustand ändert sich nur, wenn dem Design eine aktive, handelsübliche Komponente hinzugefügt wird. Derzeit strebt die Forschung jedoch an, vollständig aus gedruckten Leiterbahnen bestehende, aktive HF-Komponenten zu entwickeln.
  • Linearität: HF-Schaltkreise, die aus gedruckten Leiterbahnen bestehen, sind immer linear, d. h. Spannung und Strom sind durch eine lineare Funktion (gerade Linie in einem Diagramm) verbunden. Diese Schaltkreise werden nur dann nichtlinear, wenn der Schaltung ein nichtlineares Halbleiterbauteil hinzugefügt wird, wie z. B. eine Diode.
  • Ausbreitung: Alle HF-Schaltkreise machen sich die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zunutze. Aus diesem Grund müssen zur Festlegung der Anpassung von Impedanzen an einen Schaltkreis Eingangsimpedanzen verwendet werden, die zudem dazu beitragen, Schnittstellen zwischen den verschiedenen Bereichen eines HF-Schaltkreises zu schaffen.
  • Signalintegrität: Die Integrität von HF-Signalen basiert auf der Abschirmung und Isolierung elektromagnetischer Wellen, da HF-Signale so rauschfrei wie möglich sein müssen. Um die erforderliche Abschirmung und Isolierung in HF-Systemen zu gewährleisten, existieren zahlreiche einzigartige Abschirmungsstrukturen und Layout-Techniken.

Aktive HF-Schaltkreise

Aktive HF-Schaltkreise können u. a. Oszillatoren, gesteuerte Verstärker, ACDs und Transceiver enthalten. Diese Komponenten können zusätzlich zu den gedruckten Leiterbahnen eingesetzt werden, um weitere Funktionalitäten zu ermöglichen. Bei vielen Radarmodulen, drahtlosen Systemen, Verstärkern und Telekommunikationskomponenten werden neben passiven Schaltungen auch aktive Komponenten eingesetzt, um HF-Signale zu übertragen und das erforderliche Signalausbreitungsverhalten zu gewährleisten. Die Signalabtastung, -manipulation und -verarbeitung werden mittels aktiver Komponenten durchgeführt, die auch eine Schnittstelle zurück zu digitalen Systemen bilden können.

HF-Schaltungsdesign Koplanarer Wellenleiter
Beispiel-Radarmodul mit AWR1243FBIGABLQ1 von Texas Instruments.

Planung Ihrer Leiterplattenkonstruktion

Genau wie digitale High-Speed-PCBs basieren auch erfolgreiche HF-Schaltungsdesigns auf einem wohldurchdachten PCB-Lagenaufbau, der Ihre HF-Schaltkreise unterstützen kann. Dieser Lagenaufbau sollte so konzipiert werden, dass die HF-Elemente die gewünschte Impedanz aufweisen. Die Impedanz Ihres Systems ist in diesem Fall eine komplexe Funktion des Layouts und der Leiterbahnen Ihres HF-Schaltkreises. Darüber hinaus bestimmt die jeweilige Frequenz, bei der Ihre Leiterplatte betrieben wird, wie die Lagen aufgebaut werden sollen, welche Arten von gedruckten Schaltungen Sie benötigen und welche HF-Komponenten Sie verwenden können. Die Prinzipien beim Design von integrierten HF-Schaltkreisen sind zum Großteil die gleichen wie die des HF-PCB-Designs. Wenn Sie diese beiden Konzepte beherrschen, kennen Sie alle wichtigen Grundlagen des HF-Designs.

HF-PCB-Materialien

FR4-Materialien sind für HF-Übertragungsleitungen und -Verbindungen geeignet, die bis zu WLAN-Frequenzen (~6 GHz) eingesetzt werden. Jenseits dieser Frequenzen empfehlen HF-Techniker die Verwendung alternativer Materialien für die HF-Signalübertragung und das Design gedruckter HF-Schaltungen. Herkömmliche FR4-Laminate verwenden harzgefüllte Glasfasergewebe, um ihre Komponenten zu stabilisieren. Allerdings kann dieser Fasergewebe-Effekt bei bestimmten Materialien zu Problemen mit der Signal- und Stromversorgungsintegrität führen, wenn die Herstellungsverfahren nicht ordnungsgemäß spezifiziert werden.

Andere Materialsysteme verwenden PTFE-basierte Laminate und Bondply-Materialien, um eine PTFE-Lage mit der nächsten Lage zu verbinden. Diese Materialien weisen einen geringeren Verlustfaktor auf als FR4-Materialien, so dass sich Signale ohne Abschwächungen weiter ausbreiten können und dennoch innerhalb zulässiger Grenzwerte liegen. Diese Laminate sollen bei sehr hohen Frequenzen, wie z. B. 77-GHz-Radar, oder bei sehr langen Verbindungen mit niedrigeren Frequenzen, wie z. B. 6-GHz-WiFi, das Trägermaterial für HF-Übertragungsleitungen bilden. In der untenstehenden Tabelle werden einige der wichtigsten Materialeigenschaften für gängige HF-PCB-Materialien aufgeführt.

HF-Schaltungsdesigntabelle
Einige dialektische und thermale Eigenschaften von HF-PCB-Materialien

PCB-Lagenaufbau mit HF-Materialien

Sobald Sie Ihre Laminat- und Bondply-Materialien für Ihr HF-Design ausgewählt haben, können Sie sie zu Ihrem Lagenaufbau hinzufügen. Sie können zwar einen ganzen mehrschichtigen PCB-Lagenaufbau nur mit HF-Materialien erstellen, aber das ist im Allgemeinen nicht erforderlich und kann sehr teuer sein. Stattdessen können Sie einen hybriden Lagenaufbau konzipieren, bei dem das HF-Laminat als Decklage platziert wird, um HF-Übertragungsleitungen und -Schaltkreise zu unterstützen, während die innere Lage für Masseflächen, die Leitungsführung für digitale Signale und die Stromversorgung verwendet wird. Die gegenüberliegende Lage kann auch digitale Komponenten enthalten, die mit Ihrem HF-Frontend, ADCs zur Erfassung von HF-Signalen oder anderen Komponenten verbunden werden müssen.

HF-PCB-Lagenaufbau
Beispiel eines hybriden Set-Ups.

Wenn Sie in Ihrem HF-Leiterplattenlayout keine digitale Komponente benötigen, können Sie sich für eine zwei- oder dreilagige Leiterplatte mit HF-Laminatelementen entscheiden, die eine herkömmliche oder nahezu herkömmliche Dicke aufweisen. Nachdem Sie die Dicke der PCB-Lagen und das Materialsystem festgelegt haben, müssen Sie den Widerstandswert Ihrer HF-Leiterbahnen ermitteln.

Berechnung des Widerstandswerts einer HF-Leiterbahn

Nachdem der Lagenaufbau definiert ist, muss die Breite der Leiterbahnen auf der Leiterplatte berechnet werden, um den gewünschten Widerstandswert in den HF-Schaltkreisen zu erzielen (normalerweise 50 Ohm). Der Widerstand einer Leiterbahn und ihre Dimensionen werden mit Hilfe von Formeln zueinander in Bezug gesetzt. Diese Formel wird mit einer Technik abgeleitet, die als konforme Abbildung bekannt ist. Die derzeit beste Quelle für Formeln zur Berechnung des Widerstandswerts bei Leiterbahnen mit komplexer Dielektrizitätskonstante ist das Transmission Line Design Handbook von Brian C. Waddell. Allerdings lassen sich diese Formeln nicht für bestimmte Breiten lösen. Deshalb ist ein numerisches Verfahren erforderlich, um die Breite zu bestimmen, die eine Übertragungsleitung haben muss, um einen bestimmten Widerstand zu erreichen.

Für die Erstellung einer komplexeren Konstruktion, wie z. B. versetzte Streifenleitungen oder Wellenleiter, empfiehlt sich die Verwendung eines Lagenaufbau-Design-Tools mit integriertem Field Solver. Diese Tools berücksichtigen die Kupferrauheit, die Abschrägung während der Verarbeitung, unterschiedliche Leiterbahnanordnungen und die Platzierung der Leiterbahnen zwischen den Lagen. Zudem lassen sie sich problemlos in Ihre PCB-Designsoftware integrieren.

PCB-Lagenaufbau
Der Layer Stack Manager in Altium Designer enthält einen Impedenzrechner, der die Kupferrauheit bereits berücksichtigt.

Sobald Sie den Widerstand Ihrer Verbindungsleitungen ermittelt haben, sollten Sie die Anforderungen an die Widerstandsanpassung bestimmen. Hierzu können Sie entweder die Ergebnisse von Reflexionssimulationen heranziehen oder in den entsprechenden Datenblättern nachsehen. Bei Übertragungsleitungen, die in gedruckten HF-Schaltungen vorliegen, wird der Eingangswiderstand verschiedener Übertragungsleitungsabschnitte verwendet, um die Widerstandsanpassung für einen bestimmten Schaltkreis zu definieren. Wenn Sie Übertragungsleitungen und andere Komponenten in HF-Schaltkreisen miteinander verbinden, müssen Sie beim Entwurf eines Widerstandsanpassungsnetzwerks für HF-Komponenten den Eingangswiderstand berücksichtigen.

Typische HF-Schaltungsdesigns

Bevor Sie Ihre HF-Schaltkreise entwerfen, ist es wichtig, dass Sie Ihren PCB-Lagenaufbau konzipieren. Dies gilt insbesondere bei passiven HF-Schaltkreisen, da diese bestimmte Widerstands-Zielwerte erreichen müssen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Darüber hinaus verwenden gedruckte HF-Schaltungen die Ausbreitung elektromagnetischer Felder auf Übertragungsleitungen, wobei das Ausbreitungsverhalten von der dielektrischen Funktion des Trägermaterials abhängt. Sobald diese Details geklärt sind, können Sie mit dem Entwurf Ihrer HF-Schaltkreise beginnen und zusätzliche Komponenten für Ihr System auswählen.

Der Entwurf von gedruckten HF-Schaltkreisen basiert auf der Berechnung der Übertragungsleitungabschnitte, die in bestimmten Strukturen eines PCBs eingesetzt werden sollen. Ihre Übertragungsleitungen sollten so konzipiert werden, dass sie die sich ausbreitenden Wellen zu den Komponenten leiten und gleichzeitig Eigenschaften wie Dämpfung, Verstärkung, Filterung, Resonanz und Aussendung (z. B. als Antenne) erfüllen. Die Umwandlung des Widerstands an Stichleitungen, Schnittstellen zu Komponenten und Antennen ist häufig erforderlich, um Widerstandsfehlanpassungen zu überwinden, die bei der Ausbreitung eines HF-Signals auftreten können. Die verschiedenen gedruckten Strukturen, die ebendiese Funktionen ermöglichen, werden in zahlreichen bekannten Lehrbüchern erläutert.

Zu den Strukturen und Komponenten, die in HF-Schaltkreisen und PCBs verwendet werden, zählen u. a. folgende:

  • Passive und aktive Filter
  • Dämpfer
  • Zirkulatoren
  • Verstärker
  • HF-Leistungsteiler, -Verteiler und -Koppler
  • Antennen
  • Resonatoren
  • Wellenleiter-Hohlräume

Nachdem Sie Ihre übrigen Komponenten hinzugefügt haben, müssen Sie Schaltpläne für Ihre Schaltkreise erstellen, bevor Sie mit der Erstellung Ihres Layouts beginnen können. Das Anordnungsprinzip für HF-Schaltungen in einem Schaltplan entspricht demjenigen, das auch für digitale Systeme angewendet wird. Schaltungssimulationen sind auch in der Front-End-HF-Entwicklung unbedingt erforderlich, da Sie die elektronische Funktionalität Ihres Systems evaluieren müssen, bevor Sie Ihr PCB-Layout erstellen. Dies erfolgt in der Regel mithilfe einer SPICE-Simulation Ihres Entwurfs, wobei die gedruckten Elemente auf Ihrer Leiterplatte in SPICE als Übertragungsleitungsobjekte definiert werden. Die besten Schaltplan-Editoren beinhalten Übertragungsleitungsobjekte, mit denen Sie das elektromagnetische Verhalten Ihrer Leiterplatte genau simulieren können.

Tools für das HF-Schaltungslayout

Sobald Ihr HF-Schaltungsdesign fertiggestellt ist und die Schaltungssimulationen in Ihrem gewünschten Frequenzbereich durchlaufen hat, ist es bereit für sein physisches Layout. HF-PCB-Designer müssen beim Entwurf ihrer HF-Verbindungen oftmals einen mechanischen Ansatz verfolgen und gleichzeitig die Standardregeln für das Hochfrequenzdesign einhalten, z. B. die Begrenzung von Durchkontaktierungen und Leiterbahnlängen. Alle Hochfrequenzschaltungen, die auf einer Leiterplatte angebracht werden, müssen so konzipiert werden, dass sie die vorgegebenen Widerstände und geometrischen Toleranzen einhalten. Daher müssen Ihre CAD-Tools im Einklang mit Ihren elektrischen Designregeln verwendet werden, um die Einhaltung dieser Ziele zu gewährleisten.

Wenn Sie darüber hinaus digitale Komponenten einsetzen, die mit Ihren HF-Schaltungen verbunden werden sollen, müssen diese mit denselben Tools im entsprechenden PCB-Layout platziert werden. Eine sorgfältige Anordnung und ein ordnungsgemäßer Lagenaufbau verhindern dabei Interferenzen, die die Hochfrequenzschaltkreise und die HF-Signalerfassung beeinträchtigen können. Auch an dieser Stelle können native 3D-Designtools hilfreich sein, da einige HF-Systeme aus mehreren Leiterplatten bestehen und die gesamte Konstruktion vor der Fertigung geprüft werden muss.

MCAD-Design PCB-Steckverbinder
Vervollständigen Sie Ihr physikalisches Layout mit den richtigen PCB-Designtools.

Für den Aufbau anspruchsvoller HF-Systeme mit hoher Signalintegrität benötigen Sie ein umfassendes Toolset für Schaltungssimulationen, PCB-Routing und -Layout, sowie ein Tool für den Lagenaufbau, das die Einhaltung Ihrer Widerstandsvorgaben gewährleistet. Ganz gleich, ob Sie einen rauscharmen Verstärker zur Signalerfassung, einen HF-Leistungsverstärker für Rundfunksignale oder komplexe Verbindungen mit einzigartigen Leiterbahn- und Durchkontaktierungsstrukturen entwerfen müssen – mit den richtigen PCB-Layout-Tools bleiben Sie bei der Erstellung Ihres HF-PCB-Layouts stets flexibel.

Schaltkreisentwickler, Layouttechniker und SI/PI-Techniker vertrauen bei der Konzeption von HF-Schaltungen und dem physischen Layout ganz auf die leistungsstarken Designtools von Altium Designer®. Wenn ein Design fertig ist und für die Fertigung freigegeben werden soll, vereinfacht die Altium 365™-Plattform außerdem die Zusammenarbeit und gemeinsame Bearbeitung Ihrer Projekte.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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