Che cos'è la progettazione di circuiti RF?

Zachariah Peterson
|  Creato: July 21, 2021  |  Aggiornato: January 11, 2022
Progettazione di circuiti RF

Molti progettisti di sistemi digitali hanno probabilmente familiarità con alcuni componenti RF e tipologie di routing, tuttavia la progettazione dei circuiti RF è una questione molto più complessa. Un circuito RF può infatti contenere circuiti integrati, semiconduttori discreti ed elementi RF stampati che operano congiuntamente per realizzare la funzionalità richiesta. La progettazione dei circuiti RF comporta l'unione di questi elementi al fine di realizzare un intero sistema e creare un layout PCB RF.

I circuiti RF non sono intuitivi quanto i normali schemi circuitali e a volte può sembrare che lo schema violi le regole fondamentali della progettazione elettronica. Tuttavia, a causa della tendenza alla propagazione tipica dei campi elettromagnetici, i circuiti che agiscono su frequenze RF si comportano in modo molto diverso dai normali circuiti integrati che funzionano in CC o in bande digitali. Che si voglia progettare un sistema di comunicazione wireless, o semplicemente una linea di trasmissione con un'impedenza specifica, è necessario prestare attenzione ad alcuni aspetti fondamentali dell'ingegneria delle microonde.

  1. Introduzione alla progettazione dei circuiti RF
  2. Pianificazione della scheda
  3. Schemi comuni di circuiti RF
  4. Strumenti per la creazione di schemi e layout di circuiti RF

Si dice spesso scherzando che la progettazione a radiofrequenza (RF) per circuiti integrati e PCB serva solo a superare gli esami universitari. Tuttavia, sono ormai molti i prodotti specializzati che funzionano grazie a componenti a segnale misto, incorporando unità di comunicazione wireless e supportando applicazioni ad alta frequenza come i radar. La progettazione RF sta acquisendo una nuova centralità nel mondo dell'elettronica, e i progettisti che non hanno familiarità con questo modus operandi dovrebbero leggere questa guida per acquisire maggiore dimestichezza.

Introduzione alla progettazione dei circuiti a radiofrequenza (RF)

I circuiti a radiofrequenza sono progettati per imitare gli elementi circuitali standard e alcuni semplici circuiti integrati, tramite la realizzazione di strutture formate da elementi stampati su una basetta. I circuiti RF possono sembrare un po' strani, in quanto non sempre utilizzano componenti standard. Si avvalgono invece di piste stampate su PCB e di alcuni componenti aggiuntivi per fornire le funzionalità desiderate.

Circuiti stampati RF

Le sezioni stampate di un circuito stampato RF utilizzano piste di rame per creare gli elementi del circuito. La disposizione di piste, elementi condensatori o induttori e semiconduttori in un circuito RF può non sembrare intuitiva, ma è possibile ottenere il comportamento elettrico desiderato sfruttando a proprio vantaggio la propagazione del campo elettromagnetico. Vi sono alcuni aspetti importanti da tenere a mente in relazione alla progettazione dei circuiti RF e al comportamento elettronico dei circuiti RF su un PCB:

  • Passività: tutti i circuiti stampati RF sono passivi a meno che non venga aggiunto al progetto un componente attivo standard. Tuttavia, si stanno conducendo ricerche sui componenti RF attivi costituiti interamente da piste stampate.
  • Linearità: i circuiti RF costituiti da piste stampate sono sempre lineari, il che significa che il rapporto tra tensione e corrente è definito da una funzione lineare (linea retta su un grafico). Questi circuiti diventano non lineari solo se al circuito viene aggiunto un componente semiconduttore non lineare, come un diodo.
  • Propagazione: tutti i circuiti RF sfruttano la propagazione delle onde. Ciò significa che è necessario utilizzare le impedenze di ingresso per determinare l'equalizzazione delle impedenze nel circuito e per creare interfacce tra le diverse sezioni di un circuito RF.
  • Integrità di segnale: l'integrità del segnale RF si basa su schermatura elettromagnetica e isolamento, poiché i segnali RF devono essere il più possibile privi di rumore. Sono molte le strutture per la schermatura e le tecniche di layout ideate per fornire la schermatura e l'isolamento richiesti dai sistemi RF.

Circuiti RF attivi

I circuiti RF attivi possono includere qualsiasi elemento, da un oscillatore ad amplificatori pilotati, DAC e ricetrasmettitori. Questi componenti possono essere utilizzati insieme alle piste stampate per fornire funzionalità aggiuntive. Molti moduli radar, sistemi wireless, amplificatori e componenti di telecomunicazione utilizzano una combinazione di componenti attivi e circuiti passivi per sbrogliare i segnali RF e fornire il comportamento di propagazione del segnale richiesto. Il campionamento, la manipolazione e l'elaborazione del segnale vengono quindi eseguiti con componenti attivi, che possono anche fungere da interfaccia per i sistemi digitali.

Guida d'onda complanare nella progettazione di circuiti RF
Esempio di modulo radar con il AWR1243FBIGABLQ1 di Texas Instruments.

Pianificazione della scheda

Proprio come avviene per i PCB digitali ad alta velocità, una progettazione di circuiti RF di qualità richiede la realizzazione di uno stackup PCB in grado di supportare tali circuiti. Lo stackup deve essere progettato in modo tale che gli elementi RF abbiano l'impedenza caratteristica desiderata, nonostante questa sia determinata anche dal layout e dal routing del circuito RF. Inoltre, la frequenza operativa della scheda determinerà la modalità di creazione dello stackup, le tipologie di circuiti stampati necessarie e i componenti RF da utilizzare. La progettazione RFIC condivide molti degli aspetti che caratterizzano la progettazione PCB RF, la padronanza dei quali consentirà di ottenere ottimi risultati in qualsiasi area della progettazione RF.

Materiali PCB RF

I materiali FR4 possono essere utilizzati per interconnessioni e linee di trasmissione RF che operano fino a frequenze WiFi (~6 GHz). Oltre tali frequenze, gli ingegneri RF consigliano materiali alternativi in grado di supportare la propagazione dei segnali RF e i progetti di circuiti stampati RF. Il fissaggio dei componenti ai laminati FR4 standard avviene mediante un tessuto in fibra di vetro dotato di una matrice in resina; quando le procedure di fabbricazione non sono indicate correttamente, e in presenza di alcuni materiali, questa struttura può comportare problemi all'integrità di segnale e di potenza.

I sistemi realizzati con materiali alternativi impiegano laminati o "bondply" a base di PTFE per unire il layer in PTFE al layer successivo nello stackup PCB. Questi materiali sono caratterizzati da una tangente di perdita inferiore rispetto ai materiali FR4, permettendo al segnale di viaggiare più lontano senza attenuazioni, pur rientrando nei limiti accettabili. Questi laminati costituiscono il substrato a supporto delle linee di trasmissione RF che operano a frequenze molto alte (come la frequenza radar di 77 GHz) o di interconnessioni molto lunghe a frequenze più basse (come la frequenza WiFi di 6 GHz). La seguente tabella riassume alcune importanti proprietà dei materiali PCB RF comuni.

Tabella dei materiali per progettazione circuito RF
Alcune proprietà dielettriche e termiche per i materiali PCB RF.​​​​​

Stackup PCB con materiali RF

Dopo aver selezionato i materiali laminati e "bondply" per il progetto RF, questi vanno inseriti nello stackup. Nonostante sia possibile realizzare un intero stackup PCB multistrato con materiali RF, non è generalmente necessario e potrebbe risultare troppo costoso. Un'alternativa consiste nel realizzare uno stackup ibrido, in cui il laminato RF è posizionato su un layer superiore per supportare le linee di trasmissione e i circuiti RF, mentre il layer interno è dedicato ai piani di massa, al routing dei segnali digitali e all'alimentazione. Anche il layer opposto può supportare componenti digitali che devono interfacciarsi con il front-end RF, eventuali DAC per la raccolta dei segnali RF o altri componenti.

Stackup ibrido PCB RF
Esempio di un stackup ibrido con un laminato in PTFE Rogers.

Se il layout PCB RF non necessita di una sezione digitale, è possibile scegliere un PCB a due o tre layer con laminati RF di spessore standard o quasi standard. Una volta determinato lo spessore dei layer PCB e il sistema di materiali, è necessario determinare l'impedenza delle piste RF.

Calcolare l'impedenza della pista RF

Dopo aver definito lo stackup, è necessario calcolare la larghezza dei conduttori sul PCB per ottenere l'impedenza desiderata nei circuiti RF (normalmente 50 Ohm). L'impedenza di una pista e le sue dimensioni vengono messe in relazione utilizzando alcune formule ottenute con una tecnica chiamata mappatura conforme. Attualmente, la migliore risorsa per trovare formule di calcolo dell'impedenza della pista con una costante dielettrica complessa è il volume "Transmission Line Design Handbook" di Brian C. Waddell. Tuttavia, queste formule non possono essere risolte per larghezze specifiche; quindi, affinché una linea di trasmissione abbia un'impedenza specifica, va applicata una tecnica numerica per determinarne la larghezza necessaria.

Per configurazioni più complesse come stripline asimmetriche o guide d'onda, uno strumento di progettazione di stackup dotato di field solver integrato costituisce un'alternativa migliore. Questi strumenti possono tenere conto della ruvidezza del rame, dell'assottigliamento in fase di fabbricazione, del posizionamento routing differenziale e della posizione delle piste tra i diversi layer. Inoltre, sono facilmente utilizzabili all'interno del software di progettazione PCB.

Stackup PCB in Altium Designer
Il Layer Stack Manager in Altium Designer include un calcolatore di impedenza che tiene conto della ruvidezza del rame.

Una volta calcolata l'impedenza delle interconnessioni, andranno comunque determinati i requisiti di adattamento di impedenza osservando i risultati della simulazione di riflessione o le schede tecniche. Per le linee di trasmissione utilizzate nei circuiti stampati RF, per determinare l'equalizzazione dell'impedenza di un determinato circuito viene utilizzata l'impedenza di ingresso di diverse sezioni della linea di trasmissione. Se si interfacciano componenti e linee di trasmissione nei circuiti RF è necessario includere l'impedenza di ingresso durante la progettazione e l'equalizzazione della rete per i componenti RF.

Schemi comuni di circuiti RF

È importante progettare lo stackup PCB prima dei circuiti RF, in particolare quelli passivi, dal momento che per funzionare correttamente devono raggiungere obiettivi di impedenza specifici. Inoltre, i circuiti stampati RF sfruttano la propagazione del campo elettromagnetico sulle linee di trasmissione e il comportamento di propagazione dipende dalla funzione dielettrica del materiale del substrato. Una volta definiti questi dettagli, è possibile iniziare a progettare i circuiti RF e selezionare componenti aggiuntivi per il sistema.

I circuiti stampati RF sono progettati calcolando sezioni della linea di trasmissione da utilizzare in strutture specifiche di un PCB. La disposizione delle linee di trasmissione guiderà la propagazione delle onde verso i componenti, causando al contempo comportamenti quali: attenuazione, amplificazione, filtraggio, risonanza ed emissione (come nel caso di un'antenna). La trasformazione dell'impedenza in corrispondenza degli stub, delle interfacce con i componenti e delle antenne è spesso necessaria per far fronte alla mancata equalizzazione dell'impedenza durante la propagazione di un segnale RF. Le varie strutture stampate che producono queste funzioni sono ben note e consultabili in vari libri di testo.

Strutture e componenti utilizzati nei circuiti a radiofrequenza

Tra le strutture e i componenti utilizzati nei circuiti a radiofrequenza e PCB troviamo:

  • Filtri attivi e passivi
  • Attenuatori
  • Circolatori
  • Amplificatori
  • Splitter, divisori e combinatori di potenza RF
  • Antenne
  • Risonatori
  • Cavità di guide d'onda

Gli schemi dei circuiti andranno creati una volta aggiunti gli altri componenti e prima di iniziare a realizzare il layout. Il procedimento per il posizionamento dei circuiti RF in uno schema è uguale a quello utilizzato per i sistemi digitali. Le simulazioni del circuito sono importanti anche nell'ingegneria del front-end RF, in quanto è necessario valutare la funzionalità elettrica del sistema prima di creare il layout PCB. Vengono generalmente eseguite simulazioni SPICE del progetto in cui gli elementi stampati sulla scheda sono definiti all'interno del programma come oggetti della linea di trasmissione. I migliori editor di schema prevedono l'utilizzo di questi oggetti per consentire di simulare con precisione il comportamento elettromagnetico del circuito.

Strumenti per la creazione del layout di un circuito RF

Una volta terminato il progetto del circuito RF e simulato il suo funzionamento nella gamma di frequenza richiesta con gli appositi strumenti, è il momento di realizzare il layout fisico. I progettisti PCB RF devono spesso adottare un approccio meccanico per progettare con attenzione le interconnessioni RF, rispettando al contempo le regole standard per la progettazione ad alta frequenza (ad esempio riducendo il numero di fori di via e la lunghezza delle piste). Qualsiasi circuito ad alta frequenza presente su un PCB deve essere progettato per soddisfare gli obiettivi di impedenza e le tolleranze geometriche. Per garantire la conformità a tali obiettivi, gli strumenti CAD devono quindi interfacciarsi con le regole di progettazione elettrica stabilite.

Se sono presenti componenti digitali che devono interfacciarsi con i circuiti RF, questi vanno posizionati nel layout PCB utilizzando lo stesso pacchetto di strumenti. Un posizionamento accurato e una corretta progettazione dello stackup contribuiranno a scongiurare interferenze che potrebbero danneggiare i circuiti ad alta frequenza e la raccolta del segnale RF. Anche gli strumenti di progettazione 3D nativi possono essere utili, dal momento che alcuni sistemi RF sono multischeda e richiedono una verifica dell'assemblaggio prima di poter essere preparati per la produzione.

Connettori PCB per progettazione MCAD
Completa il tuo layout fisico con gli strumenti di progettazione PCB giusti.

Le soluzioni Altium per progettazione di circuiti RF

Per creare sistemi RF avanzati capaci di preservare l'integrità di segnale, è necessario utilizzare un pacchetto completo di strumenti di simulazione dei circuiti, strumenti di routing e layout PCB, così come uno strumento di progettazione dello stackup PCB che consenta di raggiungere gli obiettivi di impedenza. Che si tratti del layout di un amplificatore a basso rumore per la raccolta del segnale, di un amplificatore di potenza RF per la trasmissione dei segnali o di un'interconnessione con una struttura di piste e fori di via complessa, i migliori strumenti per il layout PCB aiutano a mantenere un approccio flessibile durante la creazione del layout PCB RF.

Progettisti di circuiti, ingegneri di layout e ingegneri SI/PI si affidano agli strumenti di progettazione avanzati di Altium Designer® per progettare i circuiti RF e i relativi layout fisici. Una volta che un progetto è completo e pronto per essere mandato in produzione, la piattaforma Altium 365™ semplifica la collaborazione e la condivisione dei progetti.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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