La guida dell'ingegnere digitale alle linee guida per la progettazione di PCB RF: Layout e Routing

Lavoro con molte persone diverse nell'industria elettronica, inclusi alcuni rappresentanti nel settore dei materiali e dei semiconduttori. Durante un incontro, un fondatore di startup mi ha fatto notare: “Gli ingegneri elettronici dovevano imparare il design RF solo per superare gli esami di qualifica. Ora dobbiamo tornare indietro, leggere alcuni libri sul design di PCB RF e riaffrontare l'argomento per i prodotti che stiamo progettando.” Venendo da un background in laser e ottica, il design RF e, in generale, il design analogico mi sono naturali, e ho sempre sottovalutato la difficoltà nel design digitale. Ora, con i sistemi moderni che funzionano a frequenze più elevate, incorporano molteplici protocolli wireless e si interfacciano con numerosi sensori analogici, i design avanzati richiedono conoscenze di entrambe le discipline.

Se sei un progettista digitale, ti trovi a tuo agio nel lavorare nel dominio temporale e probabilmente hai una solida comprensione concettuale del comportamento elettronico dipendente dal tempo. Se ora stai iniziando a lavorare nel regno delle RF e hai bisogno di progettare un sistema tutto analogico o a segnale misto, la disposizione del PCB RF dovrà diventare una nuova specializzazione. Una volta creato il tuo layout di PCB RF, ci sono alcuni strumenti di risoluzione di campo che puoi utilizzare per valutare i tuoi progetti e assicurarti che il tuo sistema funzioni come previsto. Se sei un progettista digitale e ora stai facendo il salto nella progettazione analogica ad alta frequenza, continua a leggere per saperne di più sulle linee guida di progettazione dei PCB RF in termini di layout e routing.

Iniziare con le Linee Guida per il Layout RF

Quando inizi un layout di PCB RF, alcune considerazioni sono tipiche per qualsiasi scheda. Quanto è grande la scheda? Dove devono essere posizionati i componenti o i connettori critici? Come si adatterà meccanicamente al suo involucro? Queste sono tutte domande importanti per qualsiasi PCB, ma i sistemi RF presentano alcune considerazioni di progettazione uniche che devono essere risolte.

Ecco alcune delle domande importanti da rispondere quando si sviluppa un layout di PCB RF o un sistema digitale con una sezione RF ad alta frequenza:

• Quali protocolli sono coinvolti?I sistemi RF dovranno fare qualcosa che coinvolge alte frequenze, che potrebbero essere gestite secondo un protocollo standardizzato e un intervallo di frequenze. Potrebbe anche esserci più di un protocollo nel sistema, e diversi protocolli non dovrebbero interferire l'uno con l'altro.
• Quali frequenze sono coinvolte? In generale, le frequenze più basse sono più tolleranti rispetto a quelle più alte perché i parasitici sono meno evidenti a frequenze inferiori. I sistemi RF sono anche meno propensi a accoppiare rumore irradiato tra loro a frequenze più basse.
• Quali interfacce digitali sono coinvolte? Per alcuni sistemi, le interfacce digitali possono avere tassi di transizione più lenti (SPI, I2C, ecc.), quindi potrebbero non avere un grande effetto sulle prestazioni analogiche a meno che non si ignorino le migliori pratiche per il routing e il layout del PCB. I sistemi embedded con alta potenza di calcolo utilizzeranno protocolli ad alta velocità come gigabit Ethernet, DDR, PCIe e altri, che creeranno più facilmente diafonia in una rete di segnali RF.

Ovviamente, il termine "alta frequenza" è soggettivo, ma il punto importante è che la frequenza influenzerà molte decisioni di progettazione in un layout di PCB RF. Poi ci sono i requisiti specifici del sistema, come si potrebbe vedere in un PCB radar o in un sistema con antenne MIMO. Le sezioni analogiche e digitali devono essere trattate diversamente a causa del modo in cui i componenti analogici interagiscono con i segnali RF. Questo influenzerà quindi le tue scelte di posizionamento dei componenti e di routing nel layout.

Progettazione dello Spazio su PCB per Segnali Misti

I progettisti digitali dovrebbero avvicinarsi a un sistema RF con un approccio di pianificazione dello spazio. L'obiettivo di alto livello qui è raggruppare i componenti in blocchi funzionali basati sul loro ruolo nel fornire funzionalità al prodotto. Un obiettivo secondario è eliminare una situazione in cui è necessario instradare lunghi interconnettori RF su tutta la scheda per realizzare le connessioni richieste. Io e il mio team faremo ciò negli schemi solo per mantenere le cose semplici una volta che li importiamo nel layout del PCB, e farlo in anticipo ti aiuta a mantenere le cose organizzate.

Cerca di mantenere le cose compatte e di segmentare il tutto in diversi blocchi dove possibile. Quando inizi a suddividere i tuoi blocchi funzionali, corri il rischio di dover instradare tracce RF e digitali avanti e indietro sulla scheda. Questo crea ulteriori punti in cui può verificarsi un forte accoppiamento indesiderato, e diventa più difficile seguire il percorso di ritorno attraverso la scheda. La pianificazione dello spazio deve essere eseguita insieme a un altro compito importante: progettare l'impilamento del PCB.

Progettazione dell'Impilamento PCB per Dispositivi RF

La progettazione dell'impilamento è correlata alla pianificazione dello spazio in quanto la tua strategia di routing e layout richiederà una strategia di messa a terra, specialmente alle frequenze RF pratiche. L'impilamento del PCB che utilizzi determinerà il tuo accesso all'alimentazione e alla terra nel layout del PCB, così come lo spazio disponibile per instradare i segnali nella tua scheda. Un esempio di impilamento di un PCB a 8 strati che puoi utilizzare per un progetto RF è mostrato di seguito. Anche se non è tipico, fornisce il modello per selezionare gli strati e disporre gli strati di segnale rispetto a quelli di piano nell'impilamento per segnali a bassa velocità, ad alta velocità e RF.

In questo esempio di impilamento, ci sono tracce sullo strato superficiale superiore per fornire connessioni dirette tra componenti analogici ad alta frequenza; queste potrebbero essere instradate in qualsiasi degli stili di routing che presenterò di seguito. Subito sotto, abbiamo piani di massa/alimentazione, che sono adiacenti per fornire capacità interplanare e per garantire che l'alimentazione stabile sia distribuita in tutto il sistema (sia per componenti digitali che analogici). Negli strati interni, possiamo avere altri segnali RF (a frequenza inferiore), oppure possiamo avere segnali digitali a bassa velocità. Sullo strato superficiale inferiore, ho previsto la possibilità di segnali digitali ad alta velocità, anche se potremmo avere questi vari segnali miscelati tra gli strati superiore e inferiore purché i percorsi di ritorno siano controllati.

Leggi di più sulle tecniche di progettazione PCB RF pianificando il tuo impilamento PCB per sistemi a segnale misto e tracciando un percorso di ritorno in un articolo recente di Kella Knack.

Se non stai montando molti componenti digitali sulla scheda, probabilmente puoi rinunciare a 2 strati. Sostengo che avrai bisogno di almeno 4 o 6 strati anche con un numero ridotto di componenti a causa della necessità di messa a terra nel sistema. L'obiettivo della messa a terra è supportare il routing, che discuterò nella prossima sezione delle linee guida per il layout RF.

Pianifica la Messa a Terra per Supportare il Routing

La messa a terra è importante per definire un percorso di ritorno in un layout RF, anche se è meglio pensare in termini di spazio sulla scheda occupato da onde elettromagnetiche in viaggio che circondano una traccia. Da notare che il segnale che viaggia su un interconnettore non appare come una corrente in flusso su un conduttore; questo è un modello concettuale che non corrisponde alla realtà. La verità è che il campo elettromagnetico occupa uno spazio attorno al conduttore, e la forza del campo all'interno di questo spazio sarà determinata dalla presenza di conduttori attorno all'interconnettore.

Il campo attorno alla traccia poi causa l'apparizione di una corrente di ritorno come corrente di spostamento. Questo perché, se osserviamo l'arrangiamento di traccia microstrip e piano di massa mostrato di seguito, abbiamo due conduttori portati a potenziali differenti che sono separati da un isolante (il materiale laminato del PCB), formando un condensatore. La corrente di spostamento nel piano di massa segue le linee del campo elettrico mentre terminano al piano di massa.

Perché tutto ciò è così importante per il layout di PCB RF? Il motivo è che posizionare il piano di massa vicino ai tuoi interconnettori ad alta frequenza confina il campo attorno all'interconnettore, e assicura che la corrente di ritorno rimanga più vicina alla traccia ad alte frequenze. Senza il piano di massa vicino a una traccia, non sappiamo esattamente dove sarà la corrente di ritorno, creando forte emissione e ricezione di EMI.

Per riassumere rapidamente questo punto sulla messa a terra, abbiamo due linee guida per il design di PCB RF:

• Non separare fisicamente o dividere uno strato di piano in isole con componenti digitali e analogici e cercare di collegarli insieme con un condensatore. Avrai un percorso di ritorno mal concepito che crea un problema di EMI. Usa semplicemente un singolo strato di piano e impara a tracciare i percorsi di ritorno.
• Sfrutta i livelli di piano per garantire l'integrità del segnale e dell'alimentazione. Questo significa che, anche se hai un semplice circuito RF con solo pochi componenti, avrai bisogno di almeno un circuito a 4 strati per fornire i necessari livelli di piano.

Per saperne di più sull'importanza della messa a terra in un layout di PCB RF, leggi di più sui percorsi di ritorno nel tuo PCB in questo recente articolo.

Routing dei tuoi tracciati RF

Ora è il momento della parte divertente: il routing RF. Tutti i routing RF richiedono un'impedenza controllata. Questo potrebbe richiedere il posizionamento di una rete di terminazione per garantire il trasferimento di potenza in un componente (ad esempio, un divisore o un'antenna), o il posizionamento di un filtro/amplificatore per regolare specifiche frequenze che viaggiano lungo un interconnettore. I componenti che hanno un'uscita RF integrata potrebbero avere la terminazione richiesta sul die, quindi assicurati di controllare questo prima di posizionare qualsiasi componente di terminazione all'estremità del driver del tuo interconnettore RF.

Geometrie dei tracciati

Una volta che è il momento di instradare le tue tracce RF critiche, dovrai decidere una geometria della traccia. A frequenze Wifi e superiori, la maggior parte delle note applicative dei componenti raccomanderà l'uso di una guida d'onda coplanare con messa a terra per instradare le tue tracce RF. Tuttavia, spetta a te come progettista valutare i pro e i contro delle diverse geometrie delle tracce. Ho riassunto questi nella tabella qui sotto.

In tutte le geometrie sopra menzionate, generalmente si ha a che fare con segnali a banda stretta, e i laminati FR4 tendono ad avere una dispersione piuttosto bassa all'interno delle larghezze di banda strette che si trovano negli standard di segnalazione wireless/RF pratici. L'unica eccezione che mi viene in mente al momento è la radio definita dal software, che richiede lo stesso approccio alla progettazione di un'impedenza target come le tracce per tracce digitali (cioè, un approccio a banda larga). A parte questa area di applicazione, puoi generalmente ignorare la dispersione FR4 e otterrai un calcolo dell'impedenza accurato con un risolutore di campo purché tu conosca i valori di Dk e tangente di perdita alla tua frequenza target.

L'Impatto della Lunghezza delle Tracce e dei Vias

Parlo della lunghezza delle tracce e delle vie sugli interconnettori RF perché possono avere effetti simili sulla perdita totale e sulla distorsione del segnale in un PCB RF, ma non nello stesso modo. Alcuni progettisti affermano che si dovrebbe sempre utilizzare le lunghezze di traccia più corte possibili sui segnali ad alta frequenza, ma non sembrano capire appieno perché sia importante. La perdita è un fattore, ma lo è anche l'impedenza di ingresso, che è particolarmente importante nelle reti di terminazione e negli interconnettori con condensatori di accoppiamento.

In breve, esiste un elenco di linee guida per la disposizione RF da seguire riguardo alle lunghezze delle tracce e al numero di vie sugli interconnettori:
Le tracce tra componenti nei circuiti RF, come i passivi in un filtro, possono comportarsi come linee di trasmissione, anche se il routing tra le tracce è breve.

• Le perdite sono importanti, ma le perdite su interconnettori corti sono dominate dalla perdita di ritorno, che è dovuta a una discrepanza tra due impedenze. La discrepanza deve essere gestita progettando per un'impedenza accurata, normalmente con un risolutore di campo.
• Se hai progettato un microstrip con impedenza controllata, allora instradalo come un microstrip. Non instradare un microstrip come una guida d'onda coplanare perché posizionare il versamento di terra e le vie intorno a un microstrip ne modificherà l'impedenza.
• Le vie possono iniziare ad agire come filtri o risonatori ad alte frequenze, come le vie passanti a frequenze mmWave. Non instradare attraverso troppe vie poiché le perdite si sommeranno, e non lasciare stub di via sulle linee di trasmissione ad alta frequenza.
• Segui altre linee guida standard di routing per PCB ad alta velocità/alta frequenza per assicurarti di mantenere l'impedenza e minimizzare le perdite/distorsioni. Discuterò di più sul routing in un futuro articolo.

Il layout di PCB RF può essere complesso per i progettisti digitali, ma le funzionalità di progettazione in Altium Designer® ti aiuteranno a instradare con alta precisione ed esportare il tuo progetto per l'analisi nei risolutori di campo Ansys con l'utilità EDB Exporter. Altium Designer e Ansys si sono uniti per offrire agli ingegneri RF e ai progettisti di PCB un modo semplice per collaborare su progetti ad alta frequenza e valutare completamente un layout di PCB RF.

Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365 rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti. Funzionalità come i commenti, la condivisione dei design e la gestione dell'accesso degli utenti ti permettono di muovere facilmente il tuo layout PCB RF attraverso una revisione del design PCB, dove le modifiche necessarie possono essere etichettate nel layout PCB e inviate indietro a un progettista per la modifica. Altium 365 rende anche facile condividere rapidamente i tuoi dati di fabbricazione con il tuo produttore di PCB, tutto senza inviare email o utilizzare programmi di chat esterni.

Abbiamo solo sfiorato la superficie di ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365 in questo blog di design RF. Puoi controllare la pagina del prodotto per una descrizione più approfondita delle funzionalità sulle tecniche di design PCB RF o uno dei Webinar On-Demand.