Guía del Ingeniero Digital para las Normas de Diseño de PCBs RF: Distribución y Enrutamiento

Trabajo con mucha gente diferente en la industria electrónica, incluyendo algunas empresas del lado de los materiales y semiconductores. Durante una reunión, un fundador de una startup me comentó: “Los ingenieros electrónicos solo necesitaban aprender diseño RF para pasar sus exámenes de calificación. Ahora tenemos que volver, leer algunos libros de diseño de PCBs RF y reaprenderlo para los productos que estamos diseñando.” Viniendo de un fondo en láser y óptica, el diseño RF y el diseño analógico en general me son naturales, y siempre subestimo la dificultad del diseño digital. Ahora, con sistemas modernos operando a frecuencias más altas, incorporando múltiples protocolos inalámbricos e interfazando con muchos sensores analógicos, los diseños avanzados requieren conocimiento de ambas disciplinas.

Si eres un diseñador digital, te sientes cómodo trabajando en el dominio del tiempo y probablemente tengas una gran comprensión conceptual del comportamiento electrónico dependiente del tiempo. Si ahora estás comenzando a trabajar en el ámbito de RF y necesitas diseñar un sistema todo-analógico o de señal mixta, el diseño de PCB de RF necesitará convertirse en una nueva especialidad. Una vez que hayas creado tu diseño de PCB de RF, hay algunas herramientas de solución de campos que puedes usar para evaluar tus diseños y asegurar que tu sistema funcionará como se pretende. Si eres un diseñador digital y ahora estás saltando al diseño analógico de alta frecuencia, sigue leyendo para aprender más sobre las pautas de diseño de PCB de RF en diseño y enrutamiento.

Comenzando con las Pautas de Diseño de RF

Cuando estás comenzando un diseño de PCB de RF, algunas consideraciones son típicas para cualquier placa. ¿Qué tan grande es la placa? ¿Dónde necesitan ubicarse los componentes o conectores críticos? ¿Cómo encajará mecánicamente en su carcasa? Estas son todas preguntas importantes para cualquier PCB, pero los sistemas de RF llevan algunas consideraciones de diseño únicas que necesitan ser respondidas.

Aquí están algunas de las preguntas importantes a responder cuando se desarrolla un diseño de PCB de RF o un sistema digital con una sección de RF de alta frecuencia:

• ¿Qué protocolos están involucrados?Los sistemas RF necesitarán hacer algo que involucre altas frecuencias, las cuales podrían estar operando bajo algún protocolo y rango de frecuencia estandarizados. También podría haber más de un protocolo en el sistema, y los diferentes protocolos no deberían interferir entre sí.
• ¿Qué frecuencias están involucradas? En general, las frecuencias más bajas son más permisivas que las frecuencias más altas porque los parásitos son menos notorios a frecuencias más bajas. Los sistemas RF también tienen menos probabilidades de acoplar ruido radiado entre sí a frecuencias más bajas.
• ¿Qué interfaces digitales están involucradas? Para algunos sistemas, las interfaces digitales pueden tener tasas de cambio de borde más lentas (SPI, I2C, etc.), por lo que podrían no tener un efecto mayor en el rendimiento analógico a menos que se ignoren las mejores prácticas para el enrutamiento y el diseño de PCB. Los sistemas embebidos con alta capacidad de cómputo utilizarán protocolos de alta velocidad como gigabit Ethernet, DDR, PCIe y otros, los cuales crearán más fácilmente diafonía en una red de señal RF.

Obviamente, el término "alta frecuencia" es subjetivo, pero el punto importante es que la frecuencia afectará muchas decisiones de diseño en un diseño de PCB RF. Luego están los requisitos específicos del sistema, como los que podrías ver en un PCB de radar o un sistema con antenas MIMO. Las secciones analógicas y digitales necesitan ser tratadas de manera diferente debido a la forma en que los componentes analógicos interactúan con las señales RF. Esto influirá entonces en tus decisiones de colocación de componentes y enrutamiento en el diseño.

Planificación de Piso para PCB de Señal Mixta

Los diseñadores digitales deberían abordar un sistema RF con un enfoque de planificación de piso. El objetivo de alto nivel aquí es agrupar componentes en bloques funcionales basados en su papel en proporcionar funcionalidad al producto. Un objetivo secundario es eliminar una situación donde necesites enrutar interconexiones RF largas por toda la placa para hacer las conexiones requeridas. Mi equipo y yo haremos esto en los esquemáticos solo para mantener las cosas simples una vez que los importemos al diseño del PCB, y hacer esto desde el principio te ayuda a mantener las cosas organizadas.

Intenta mantener las cosas compactas y segmenta en diferentes bloques cuando sea posible. Cuando comienzas a dividir tus bloques funcionales, corres el riesgo de necesitar enrutar trazas RF y digitales de ida y vuelta a través de la placa. Esto crea más puntos donde puede ocurrir un fuerte acoplamiento, y se vuelve más difícil seguir tu camino de retorno a lo largo de la placa. La planificación del diseño debe hacerse junto con otra tarea importante: diseñar el apilado de la PCB.

Diseño de Apilado de PCB para Dispositivos RF

El diseño del apilado está relacionado con la planificación del diseño en que tu estrategia de enrutamiento y diseño requerirá una estrategia de puesta a tierra, especialmente en frecuencias RF prácticas. El apilado de PCB que uses determinará tu acceso a la alimentación y tierra en el diseño de la PCB, así como el espacio disponible para enrutar señales en tu placa. Un ejemplo de un apilado de PCB de 8 capas que puedes usar para un diseño RF se muestra a continuación. Aunque esto no es típico, proporciona el patrón para seleccionar capas y organizar capas de señal versus capas de plano en el apilado para señales de baja velocidad, alta velocidad y RF.

En este ejemplo de apilamiento, hay trazas en la capa superficial superior para proporcionar conexiones directas entre componentes analógicos de alta frecuencia; estas podrían ser enrutadas en cualquiera de los estilos de enrutamiento que presentaré a continuación. Justo debajo de esto, tenemos planos de tierra/energía, que están adyacentes para proporcionar capacitancia interplana y para asegurar que la energía estable se entregue a lo largo del sistema (tanto para componentes digitales como analógicos). En las capas internas, podemos tener otros señales de RF (frecuencia más baja), o podemos tener señales digitales de baja velocidad. En la superficie inferior, he permitido la posibilidad de señales digitales de alta velocidad, aunque podríamos tener estas señales variadas a través de las capas superior e inferior siempre y cuando los caminos de retorno estén controlados.

Lee más sobre técnicas de diseño de PCBs de RF planificando tu apilamiento de PCB para sistemas de señales mixtas y trazando un camino de retorno en un artículo reciente de Kella Knack.

Si no estás colocando muchos componentes digitales en la placa, probablemente puedas prescindir de 2 capas. Sin embargo, argumentaría que necesitarás al menos 4 o 6 capas incluso con pocos componentes debido a la necesidad de un buen aterrizaje en el sistema. El objetivo del aterrizaje es apoyar el enrutamiento, lo cual discutiré en la siguiente sección de las pautas de diseño RF.

Planificar el Aterrizaje para Apoyar el Enrutamiento

El aterrizaje es importante para definir un camino de retorno en un diseño RF, aunque es mejor pensar en términos del espacio en la placa ocupado por ondas electromagnéticas viajando alrededor de una pista. Cabe destacar que la señal que viaja en un interconector no aparece como una corriente fluyendo en un conductor; este es un modelo conceptual que no coincide con la realidad. La verdad es que el campo electromagnético ocupa cierto espacio alrededor del conductor, y la fuerza del campo dentro de este espacio será determinada por la presencia de conductores alrededor del interconector.

El campo alrededor de la traza entonces provoca que aparezca una corriente de retorno como una corriente de desplazamiento. Esto se debe a que, si observamos la disposición de la traza microstrip y el plano de tierra mostrado a continuación, tenemos dos conductores llevados a diferentes potenciales que están separados por un aislante (el material laminado del PCB), formando un capacitor. La corriente de desplazamiento en el plano de tierra sigue las líneas del campo eléctrico a medida que terminan en el plano de tierra.

¿Por qué es todo esto tan importante para el diseño de PCBs de RF? La razón es que colocar tierra cerca de tus interconexiones de alta frecuencia confina el campo alrededor de la interconexión, y asegura que la corriente de retorno se mantenga más cerca de la traza a frecuencias más altas. Sin el plano de tierra cerca de una traza, no sabemos exactamente dónde estará la corriente de retorno, creando una fuerte emisión y recepción de EMI.

Para resumir rápidamente este punto sobre el aterrizaje, tenemos dos pautas de diseño de PCBs de RF:

• No separes físicamente o dividas una capa de plano en islas con componentes digitales y analógicos e intentes unirlas con un capacitor. Tendrás un camino de retorno mal concebido que crea un problema de EMI. Simplemente usa una sola capa de plano y aprende a trazar caminos de retorno.
• Aproveche las capas de plano para asegurar la integridad de la señal y la potencia. Esto significa que, incluso si tiene una placa RF simple con solo unos pocos componentes, necesitará al menos una placa de 4 capas para proporcionar las capas de plano necesarias.

Para aprender más sobre la importancia de la conexión a tierra en un diseño de PCB RF, lea más sobre los caminos de retorno en su PCB en este artículo reciente.

Enrutando Sus Trazas RF

Ahora es el momento de la parte divertida: el enrutamiento RF. Todo el enrutamiento RF requiere impedancia controlada. Esto podría requerir colocar una red de terminación para asegurar la transferencia de potencia en un componente (por ejemplo, un divisor o antena), o colocar un filtro/amplificador para ajustar frecuencias específicas que viajan a lo largo de un interconector. Los componentes que tienen una salida RF integrada podrían tener la terminación requerida en el chip, así que asegúrese de verificar esto antes de colocar cualquier componente de terminación en el extremo del conductor de su interconector RF.

Geometrías de Trazas

Una vez que llegue el momento de trazar tus pistas críticas de RF, necesitarás decidir sobre una geometría de traza. En frecuencias de Wifi y superiores, la mayoría de las notas de aplicación de componentes recomendarán usar una guía de onda coplanar con tierra para trazar tus pistas de RF. Sin embargo, depende de ti como diseñador evaluar los pros y contras de diferentes geometrías de traza. He resumido estos en la tabla a continuación.

En todas las geometrías mencionadas anteriormente, generalmente estamos tratando con señales de banda estrecha, y los laminados FR4 tienden a tener una dispersión bastante baja dentro de los anchos de banda estrechos que encontrarías en los estándares de señalización inalámbrica/RF prácticos. La única excepción que puedo pensar en este momento es la radio definida por software, que requiere el mismo enfoque para diseñar una impedancia objetivo como las trazas para trazas digitales (es decir, un enfoque de banda ancha). Aparte de esta área de aplicación, generalmente puedes ignorar la dispersión FR4 y obtendrás un cálculo de impedancia preciso con un solucionador de campos siempre que conozcas los valores de Dk y tangente de pérdida en tu frecuencia objetivo.

El impacto de la longitud de traza y las vías

Menciono la longitud de las trazas y las vías en interconexiones RF porque pueden tener efectos similares en la pérdida total y la distorsión de la señal en un PCB RF, pero no de la misma manera. Algunos diseñadores afirmarán que siempre debes usar las longitudes de traza más cortas posibles en señales de alta frecuencia, pero parece que no entienden completamente por qué es importante. La pérdida es un factor, pero también lo es la impedancia de entrada, que es particularmente importante en redes de terminación e interconexiones con capacitores de acoplamiento.

En resumen, hay una lista de pautas de diseño RF a seguir con respecto a las longitudes de traza y el conteo de vías en interconexiones:
Las trazas entre componentes en circuitos RF, como los pasivos en un filtro, pueden comportarse como líneas de transmisión, incluso si el enrutamiento entre trazas es corto.

• Las pérdidas son importantes, pero las pérdidas en interconexiones cortas están dominadas por la pérdida de retorno, que se debe a un desajuste entre dos impedancias. El desajuste necesita ser abordado diseñando para una impedancia precisa, normalmente con un solucionador de campo.
• Si diseñaste un microstrip con impedancia controlada, entonces enrútalo como un microstrip. No enroutes un microstrip como una guía de onda coplanar porque colocar vertido de tierra y vías alrededor de un microstrip modificará su impedancia.
• Las vías pueden comenzar a actuar como filtros o resonadores a altas frecuencias, como las vías pasantes en frecuencias de onda milimétrica. No traces a través de demasiadas vías ya que las pérdidas se sumarán, y no dejes tocones de vía en líneas de transmisión de alta frecuencia.
• Sigue otras pautas de enrutamiento estándar para PCBs de alta velocidad/alta frecuencia para asegurarte de mantener la impedancia y minimizar las pérdidas/distorsiones. Discutiré más sobre el enrutamiento en un futuro artículo.

El diseño de PCBs RF puede ser complejo para diseñadores digitales, pero las características de diseño en Altium Designer® te ayudarán a enrutar con alta precisión y exportar tu diseño para análisis en solucionadores de campo de Ansys con la utilidad de Exportación EDB. Altium Designer y Ansys se han unido para ofrecer a los ingenieros de RF y diseñadores de PCB una manera fácil de colaborar en diseños de alta frecuencia y evaluar completamente un diseño de PCB RF.

Cuando hayas terminado tu diseño y quieras liberar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir tus proyectos. Funciones como los comentarios, compartir diseño y la gestión de acceso de usuarios te permiten mover fácilmente tu diseño de PCB RF a través de una revisión de diseño de PCB, donde los cambios requeridos pueden ser etiquetados en el diseño de PCB y enviados de vuelta a un diseñador para su modificación. Altium 365 también facilita compartir rápidamente tus datos de fabricación con tu fabricante de PCB, todo sin enviar correos electrónicos o usar programas de chat externos.

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