¿Cómo se trabaja el diseño de circuitos RF o de radiofrecuencia?

Es probable que los diseñadores de sistemas digitales estén familiarizados con algunos componentes de RF y estilos de enrutamiento, pero el diseño de circuitos RF o de radiofrecuencia entraña muchos más factores. Un circuito de RF puede incluir circuitos integrados, semiconductores discretos y elementos de radiofrecuencia impresos que, integrados, permite obtener la funcionalidad requerida. El diseño de circuitos de RF implica combinar todos estos elementos cuyo objetivo no es otro que construir un sistema completo y crear un diseño de PCB.

Los circuitos de RF no son tan intuitivos como los diagramas electrónicos de circuitos típicos y, a veces, puede parecer que un diagrama infringe las reglas básicas del diseño eléctrico. Sin embargo, debido a la naturaleza de la propagación del campo electromagnético, los circuitos que funcionan a frecuencias de RF se comportan de manera muy diferente a los circuitos integrados típicos que funcionan en CC o en bandas digitales. Tanto si estás diseñando un sistema para la comunicación inalámbrica como si solo necesitas diseñar una línea de transmisión con una impedancia específica, debes de tener en cuenta estos conceptos básicos de ingeniería de microondas.

1. Introducción al diseño de circuitos RF o diseño de radiofrecuencia
2. Planificar la construcción de la placa
3. Diseños comunes para circuitos RF
4. Herramientas para el diseño y layout de circuitos RF

A menudo se bromea diciendo que el diseño de radiofrecuencia (RF) de circuitos integrados y PCB es una materia que solo se estudia para aprobar los exámenes en la universidad. Sin embargo, muchos de los productos especializados actuales funcionan con un componente de señal mixta, incorporan un bloque de comunicación inalámbrica o se utilizan en una aplicación de alta frecuencia como el radar. El diseño de RF es una tarea bastante habitual hoy en día, por lo que esta guía pretende servir de referencia a aquellos diseñadores que todavía no están familiarizados con esta área.

Introducción al diseño de circuitos de RF utilizando pistas impresas en una PCB

Los circuitos de RF están diseñados para imitar los elementos de circuitos estándar y algunos circuitos integrados sencillos mediante la creación de estructuras que utilizan elementos impresos en un diseño de placa de circuito. Los circuitos de RF pueden parecer un poco extraños, ya que no siempre utilizan componentes estándar. En su lugar, los circuitos de RF pueden utilizar trazas impresas en una placa de circuito impreso y algunos componentes adicionales para proporcionar la funcionalidad deseada en una placa de circuito.

Circuitos RF impresos

Las secciones impresas de un diseño de placa de circuito de RF utilizarán pistas de cobre para crear los elementos del circuito. La disposición de las pistas, los elementos condensadores o inductores y los semiconductores en un circuito de RF puede parecer poco intuitivos, aunque juntos favorecen la propagación del campo electromagnético con el objetivo de obtener el comportamiento eléctrico deseado. Hay algunos conceptos importantes que se deben recordar en relación al diseño de circuitos de radiofrecuencia y el comportamiento eléctrico de los circuitos de RF en un PCB:

• Pasividad: todos los circuitos de RF impresos son pasivos a menos que se añada un componente activo estándar al diseño. Sin embargo, existen investigaciones acerca de los componentes de RF activos creados totalmente con pistas impresas.
• Linealidad: los circuitos de RF creados a partir de pistas impresas son siempre lineales, lo que significa que la tensión y la corriente están relacionadas a través de una función lineal (línea recta en un gráfico). Estos circuitos solo se convierten en no lineales si se añade al circuito un componente semiconductor no lineal, como un diodo.
• Propagación: todos los circuitos de RF se benefician de la propagación de ondas. Esto significa que las impedancias de entrada deben de utilizarse para determinar la manera en la que se adaptan las impedancias dentro del circuito y para saber cómo crear interfaces entre las diferentes secciones de un circuito de RF.
• Integridad de la señal: la integridad de la señal de RF depende del apantallamiento y del aislamiento electromagnético, ya que las señales de RF deben estar aisladas del ruido en la medida de lo posible. Se han diseñado muchas estructuras de apantallamiento y técnicas de layout únicas con la intención de ayudar a obtener el apantallamiento y el aislamiento necesarios en los sistemas de RF.

Diseños de circuitos de RF activos

Los circuitos de RF activos pueden incluir cualquier cosa, desde un oscilador hasta amplificadores alimentados, conversores analógicos-digitales y transceptores. Estos componentes se pueden utilizar junto con las pistas impresas para proporcionar funcionalidades adicionales. Muchos módulos de radar, sistemas inalámbricos, amplificadores y componentes de telecomunicaciones utilizan componentes activos junto con circuitos pasivos para encaminar las señales de RF y brindar el comportamiento de propagación de señales necesario. El muestreo, la manipulación y el procesamiento de la señal se llevan a cabo con componentes activos, que también pueden proporcionar una interfaz de vuelta a los sistemas digitales.

Cómo planificar el diseño de tus circuitos de RF y crear un stackup de PCB

Al igual que en una PCB digital de alta velocidad, un buen diseño para un circuito de RF se basa en la creación de un stackup de PCB que sea compatible con tus circuitos de RF. El stackup o apilado de capas debe estar diseñado de manera que los elementos de RF tengan la impedancia mínima deseada, aunque es posible que la impedancia de tu sistema incluya una función mucho más compleja del trazado y enrutamiento de sus circuitos de RF. Además, la frecuencia a la que funcione la placa determinará cómo debe construirse el stackup, qué tipos de diseños de circuitos impresos podría necesitar y qué componentes de RF puede utilizar. El diseño de circuitos integrados de RF sigue muchas de las mismas ideas que el diseño de PCB de RF, y dominar estos conceptos seguro que te ayudará a tener éxito en cualquier área del diseño de RF.

Materiales para el diseño de circuitos impresos de RF

Las líneas de transmisión e interconexiones de RF funcionan con frecuencias hasta el rango de las de WiFi (~6 GHz), por esta razón los materiales FR4 son compatibles. Más allá de estas frecuencias, los ingenieros de RF recomiendan el uso de materiales alternativos para la propagación de la señal de RF y los diseños de circuitos impresos de RF. Los laminados FR4 estándar utilizan tramas de fibra de vidrio rellenas de resina como soporte de los componentes, pero los efectos de estas tramas en ciertos materiales pueden crear problemas de integridad de la señal y de la potencia si no se especifican correctamente los procedimientos de fabricación.

Los sistemas de materiales alternativos utilizan laminados a base de PTFE y materiales adhesivos Bond-Ply para unir una capa de PTFE con la siguiente en el stackup de tu PCB. Estos materiales tienen una menor tangente de pérdida que los materiales FR4, por lo que las señales pueden viajar más lejos sin atenuarse, pero permaneciendo dentro de los márgenes aceptables. Estos laminados deben formar el sustrato de las líneas de transmisión RF a frecuencias muy altas, como el radar de 77 GHz, o para interconexiones muy largas a frecuencias más bajas, como WiFi de 6 GHz. En la siguiente tabla se resumen algunas propiedades importantes de los materiales comunes en las PCB de RF.

Diseñar un stackup completo de PCB con materiales de RF

Una vez que hayas seleccionado los materiales para laminado y Bond-Ply para tu diseño de RF, es hora de incluirlos en tu stackup. Aunque se podría construir un stackup completo de PCB multicapa con materiales de RF, generalmente no es necesario y puede resultar excesivamente caro. Una opción es construir un stackup híbrido, en el que el laminado de RF se sitúe en la capa superior para el respaldo de las líneas de transmisión y los circuitos de RF, y la capa interna se utilice para los planos de tierra, el enrutamiento de las señales digitales y la alimentación. La capa opuesta también puede utilizarse para el respaldo de los componentes digitales que necesitan interactuar con el front-end de RF, los conversores A-D que recogen las señales de RF u otros componentes.

Si no necesitas una sección digital en tu diseño de PCB de RF, puedes optar por una PCB de 2 o 3 capas con laminados de RF que tengan un grosor estándar o casi estándar. Una vez determinado el espesor de las capas de la PCB y el sistema de materiales, deberás determinar la impedancia de las pistas de RF.

Cómo calcular la impedancia de las pistas de RF o ancho de los conductores de la PCB

Una vez determinado el stackup, deberás calcular el ancho de los conductores de la PCB para producir la impedancia deseada en tus circuitos RF (normalmente 50 ohms). La impedancia de una pista y sus dimensiones se relacionan utilizando algunas fórmulas que se derivan con una técnica llamada transformación conforme. Actualmente, el mejor recurso para encontrar fórmulas para calcular la impedancia de la pista con constante dieléctrica compleja es el libro Transmission Line Design Handbook (Manual de diseño de líneas de transmisión) de Brian C. Waddell. Sin embargo, estas fórmulas no pueden resolverse para anchos específicos, por lo que se necesita un método numérico para determinar el ancho necesario para que una línea de transmisión tenga una impedancia específica.

• Más información sobre el cálculo de la impedancia de microstrips (en inglés)
• Más información sobre el cálculo de la impedancia de striplines simétricas (en inglés)

Para una disposición más compleja, como striplines desplazadas o guías de ondas, una mejor opción es utilizar una herramienta de diseño de stackup con una calculadora de campos integrada. Estas utilidades pueden tener en cuenta la rugosidad del cobre, la disminución del espesor durante la fabricación, las disposiciones de enrutamiento diferencial y la ubicación de las pistas entre las capas. También son fáciles de usar dentro de tu software de diseño de PCB.

Una vez que conozcas las impedancias de las interconexiones, deberás determinar los requisitos de adaptación de impedancias, ya sea analizando los resultados de la simulación de reflexión o consultando las fichas técnicas. Para las líneas de transmisión utilizadas en los circuitos impresos de RF, se utiliza la impedancia de entrada de diferentes secciones de la línea de transmisión para determinar la adaptación de impedancias para un circuito determinado. Si estás conectando líneas de transmisión y componentes en circuitos de RF, deberás incluir la impedancia de entrada al diseñar una red de adaptación de impedancia para componentes de RF.

• Más información sobre los valores de impedancia en líneas de transmisión (en inglés)
• Más información sobre la longitud crítica de una línea de transmisión (en inglés)

Diseños comunes para circuitos de RF o de radiofrecuencia

Es importante diseñar el stackup o pila de capas de tu PCB antes de diseñar los circuitos impresos de RF o de radiofrecuencia, especialmente los circuitos de RF pasivos, porque necesitan de unos objetivos de impedancia específicos mínimos para poder funcionar correctamente. Además, los circuitos impresos de RF aprovechan la propagación del campo electromagnético en las líneas de transmisión. Por su parte, el comportamiento de la propagación depende de la función dieléctrica del material del sustrato. Una vez resueltos estos detalles, ya puedes empezar a diseñar tus circuitos de RF y seleccionar componentes adicionales para el sistema.

Los circuitos impresos de RF se diseñan calculando secciones de línea de transmisión para que puedan ser utilizados en estructuras específicas de una PCB. Los diseños de las líneas de transmisión guían la propagación de ondas a los componentes y, al mismo tiempo, proporcionan comportamientos como la atenuación, la amplificación, el filtrado, la resonancia y la emisión (por ejemplo, como antena). La transformación de la impedancia en los stubs, las interfaces con los componentes y las antenas son a menudo necesarios para superar el desacoplamiento de impedancias que sufre una señal de RF a medida que se propaga. Las diversas estructuras impresas que generan estas funciones aparecen en muchos libros de texto.

Entre las estructuras y componentes utilizados en circuitos impresos de RF y PCB están:

• Filtros pasivos y activos
• Atenuadores
• Circuladores
• Amplificadores
• Divisores y combinadores de potencia de RF
• Antenas
• Resonadores
• Cavidades resonantes (guías de ondas)

Una vez añadidos los demás componentes, se deben crear los diagramas esquemáticos de los circuitos antes de empezar a maquetarlos. El proceso de colocar los circuitos de RF en un esquema es el mismo que el utilizado para los sistemas digitales. Las simulaciones de circuitos impresos también son importantes en la ingeniería de carga frontal de RF, ya que se debe evaluar la funcionalidad eléctrica del sistema antes de crear el layout del PCB. Generalmente, esto se realiza utilizando la simulación SPICE en tu diseño con elementos impresos en la placa definidos como objetos de línea de transmisión en SPICE. Los mejores editores de diagramas esquemáticos incluyen objetos de línea de transmisión que permiten simular con precisión el comportamiento electromagnético en tu placa de circuito impreso.

Herramientas para el diseño de circuitos de RF

Una vez terminado el diseño del circuito de RF y sometido a las herramientas de simulación de circuitos en el rango de frecuencias deseado, este está listo para su disposición física. Los diseñadores de PCB de RF suelen necesitar adoptar un enfoque mecánico para diseñar cuidadosamente las interconexiones de RF y, al mismo tiempo, obedecer las reglas estandarizadas de diseño de alta frecuencia (como minimizar las vías y las longitudes de las pistas). El diseño de cualquier circuito de alta frecuencia que aparezca en una PCB debe cumplir los objetivos de impedancia y las tolerancias geométricas, por lo que tus herramientas de CAD deben tener en cuenta las reglas de diseño eléctrico para garantizar el cumplimiento de estos objetivos.

Si también incluyes componentes digitales que necesariamente deben interactuar con los circuitos de RF, es importante situarse en un diseño de PCB empleando el mismo conjunto de herramientas. La colocación cuidadosa y el diseño adecuado del stackup ayudarán a evitar interferencias que corrompan los circuitos de alta frecuencia y la recepción de señales de RF. Las herramientas de diseño 3D nativas pueden ser útiles aquí porque algunos sistemas de radiofrecuencia (RF) tienen múltiples placas, además de que el montaje general debe ser revisado antes de prepararse para empezar con la fabricación.

Si necesitas construir sistemas de RF avanzados que también mantengan la integridad de la señal, necesitas un conjunto completo de herramientas de simulación de circuitos, herramientas de trazado de pistas y diseño de PCB, así como una herramienta de diseño de apilamiento de capas que te ayuden a alcanzar los objetivos de impedancia. Tanto si necesitas diseñar un amplificador de bajo ruido para la captación de señales, como el de un amplificador de potencia de RF para la emisión de señales o interconexiones complejas con estructuras únicas de pistas y vías, las mejores herramientas de diseño de PCB te ayudarán a ser flexible a la hora de crear el diseño de tu PCB de RF.

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