Przewodnik inżyniera cyfrowego do wytycznych projektowania PCB RF: Układ i trasowanie

Pracuję z wieloma różnymi osobami w branży elektronicznej, w tym z kilkoma firmami zajmującymi się materiałami i półprzewodnikami. Podczas jednego ze spotkań, pewien założyciel startupu zauważył do mnie: „Inżynierowie elektrycy musieli nauczyć się projektowania RF tylko po to, aby zdać egzaminy kwalifikacyjne. Teraz musimy wrócić, przeczytać kilka książek o projektowaniu PCB RF i nauczyć się tego na nowo dla produktów, które projektujemy.” Pochodząc z branży laserów i optyki, projektowanie RF i ogólnie projektowanie analogowe są dla mnie naturalne, i zawsze nie doceniam trudności projektowania cyfrowego. Teraz, gdy nowoczesne systemy pracują na wyższych częstotliwościach, integrują wiele protokołów bezprzewodowych i łączą się z wieloma czujnikami analogowymi, zaawansowane projekty wymagają wiedzy z obu dyscyplin.

Jeśli jesteś projektantem cyfrowym, czujesz się komfortowo pracując w dziedzinie czasu i prawdopodobnie masz doskonałe pojęcie o zachowaniu elektroniki zależnej od czasu. Jeśli teraz zaczynasz pracować w dziedzinie RF i musisz zaprojektować system całkowicie analogowy lub mieszany, układ PCB RF będzie musiał stać się nową specjalnością. Po stworzeniu układu PCB RF istnieją narzędzia solver pola, których możesz użyć do oceny swoich projektów i zapewnienia, że system będzie działał zgodnie z zamierzeniami. Jeśli jesteś projektantem cyfrowym i teraz przechodzisz na projektowanie analogowe wysokiej częstotliwości, czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o wytycznych projektowania PCB RF w zakresie układu i trasowania.

Rozpoczynanie pracy z wytycznymi układu RF

Kiedy zaczynasz układ PCB RF, niektóre rozważania są typowe dla każdej płyty. Jak duży jest układ? Gdzie muszą być umieszczone kluczowe komponenty lub złącza? Jak będzie pasować mechanicznie do swojej obudowy? To wszystko ważne pytania dla każdego PCB, ale systemy RF niosą ze sobą unikalne rozważania projektowe, które muszą zostać rozwiązane.

Oto niektóre z ważnych pytań, na które należy odpowiedzieć, rozwijając układ PCB RF lub cyfrowy system z wysokoczęstotliwościową sekcją RF:

• Jakie protokoły są zaangażowane?Układy RF będą musiały wykonywać operacje związane z wysokimi częstotliwościami, które mogą pracować w ramach pewnego standardowego protokołu i zakresu częstotliwości. W systemie może również występować więcej niż jeden protokół, a różne protokoły nie powinny na siebie wzajemnie oddziaływać.
• Jakie częstotliwości są zaangażowane? Ogólnie rzecz biorąc, niższe częstotliwości są bardziej wyrozumiałe niż wyższe, ponieważ efekty pasożytnicze są mniej zauważalne przy niższych częstotliwościach. Układy RF są również mniej podatne na wzajemne sprzęganie hałasu promieniowanego przy niższych częstotliwościach.
• Jakie interfejsy cyfrowe są zaangażowane? W niektórych systemach interfejsy cyfrowe mogą mieć wolniejsze szybkości narastania sygnału (SPI, I2C itp.), więc mogą nie mieć dużego wpływu na wydajność analogową, chyba że zignoruje się najlepsze praktyki dotyczące trasowania i projektowania PCB. Wbudowane systemy o wysokiej mocy obliczeniowej będą używać szybkich protokołów takich jak gigabit Ethernet, DDR, PCIe i inne, które łatwiej mogą tworzyć przeploty do sieci sygnałowej RF.

Oczywiście termin "wysoka częstotliwość" jest subiektywny, ale ważne jest, że częstotliwość wpłynie na wiele decyzji projektowych w układzie PCB dla RF. Następnie mamy wymagania specyficzne dla systemu, takie jak można zobaczyć w PCB dla radaru lub systemie z antenami MIMO. Sekcje analogowe i cyfrowe muszą być traktowane inaczej ze względu na sposób, w jaki komponenty analogowe wchodzą w interakcje z sygnałami RF. To z kolei wpłynie na wybór miejsca umieszczenia komponentów i trasowanie połączeń w układzie.

Planowanie przestrzenne PCB mieszanych sygnałów

Projektanci cyfrowi powinni podejść do systemu RF z perspektywy planowania przestrzennego. Głównym celem tutaj jest grupowanie komponentów w bloki funkcjonalne na podstawie ich roli w zapewnianiu funkcjonalności produktu. Dodatkowym celem jest eliminacja sytuacji, w której musisz trasować długie połączenia RF po całej płytce, aby dokonać wymaganych połączeń. Ja i mój zespół robimy to w schematach, aby ułatwić sobie pracę po ich zaimportowaniu do układu PCB, a robienie tego na wstępnym etapie pomaga utrzymać porządek.

Staraj się utrzymywać kompaktowość i segmentować elementy na różne bloki, gdzie to możliwe. Gdy zaczniesz dzielić swoje bloki funkcjonalne, ryzykujesz potrzebą prowadzenia ścieżek RF i cyfrowych w tę i z powrotem przez płytę. To z kolei tworzy więcej miejsc, gdzie może wystąpić silne sprzężenie, i staje się trudniej śledzić ścieżkę powrotną przez całą płytę. Planowanie rozmieszczenia elementów musi być wykonane równolegle z innym ważnym zadaniem: projektowaniem układu warstw PCB.

Projektowanie układu warstw PCB dla urządzeń RF

Projektowanie układu warstw jest związane z planowaniem rozmieszczenia w tym sensie, że strategia trasowania i układ wymagają strategii uziemienia, szczególnie przy praktycznych częstotliwościach RF. Układ warstw PCB, którego użyjesz, określi dostęp do zasilania i uziemienia w układzie PCB, a także dostępną przestrzeń do trasowania sygnałów na twojej płycie. Przykładem układu warstw PCB na 8 warstw, którego możesz użyć dla projektu RF, jest pokazany poniżej. Chociaż nie jest to typowe, dostarcza wzorca do wyboru warstw i układania warstw sygnałowych względem warstw płaszczyzn w układzie warstw dla sygnałów niskiej prędkości, wysokiej prędkości i RF.

W tym przykładowym układzie warstw, na górnej powierzchni znajdują się ścieżki zapewniające bezpośrednie połączenia między komponentami analogowymi wysokiej częstotliwości; mogą być one prowadzone w dowolnym z przedstawionych poniżej stylów trasowania. Bezpośrednio pod tym mamy warstwy masy/energii, które są sąsiadujące, aby zapewnić pojemność międzywarstwową i zapewnić stabilne zasilanie w całym systemie (zarówno dla komponentów cyfrowych, jak i analogowych). W warstwach wewnętrznych możemy mieć inne sygnały RF (o niższej częstotliwości) lub możemy mieć sygnały cyfrowe o niskiej prędkości. Na dolnej powierzchni dopuściłem możliwość występowania sygnałów cyfrowych wysokiej prędkości, chociaż moglibyśmy mieć te różne sygnały mieszane na górnych i dolnych warstwach, pod warunkiem kontrolowania ścieżek powrotnych.

Przeczytaj więcej o technikach projektowania PCB RF, planowaniu układu warstw PCB dla systemów mieszanych sygnałów i trasowaniu ścieżki powrotnej w najnowszym artykule Kelli Knack.

Jeśli nie umieszczasz na płytce wielu komponentów cyfrowych, prawdopodobnie możesz zrezygnować z 2 warstw. Argumentowałbym, że potrzebujesz przynajmniej 4 lub 6 warstw nawet przy małej liczbie komponentów ze względu na potrzebę uziemienia w systemie. Celem uziemienia jest wspieranie trasowania, o czym będę dyskutować w następnej sekcji wytycznych dotyczących układu RF.

Planuj uziemienie wspierające trasowanie

Uziemienie jest ważne dla określenia ścieżki powrotnej w układzie RF, chociaż lepiej jest myśleć w kategoriach przestrzeni na płytce zajmowanej przez podróżujące fale elektromagnetyczne otaczające ścieżkę. Zauważ, że sygnał podróżujący po połączeniu nie pojawia się jako płynący prąd na przewodniku; jest to model koncepcyjny, który nie odpowiada rzeczywistości. Prawda jest taka, że pole elektromagnetyczne zajmuje pewną przestrzeń wokół przewodnika, a siła pola w tej przestrzeni będzie określona przez obecność przewodników wokół połączenia.

Pole wokół ścieżki powoduje pojawienie się prądu powrotnego jako prąd przesunięcia. Wynika to z faktu, że jeśli przyjrzymy się układowi ścieżki mikropaskowej i płaszczyzny masy pokazanemu poniżej, mamy do czynienia z dwoma przewodnikami, które zostały doprowadzone do różnych potencjałów i są oddzielone izolatorem (materiałem laminatu PCB), tworząc kondensator. Prąd przesunięcia w płaszczyźnie masy podąża za liniami pola elektrycznego, które kończą się na płaszczyźnie masy.

Dlaczego jest to tak ważne dla układu PCB RF? Powodem jest to, że umieszczenie masy blisko twoich wysokoczęstotliwościowych połączeń ogranicza pole wokół połączenia i zapewnia, że prąd powrotny pozostaje bliżej ścieżki przy wyższych częstotliwościach. Bez płaszczyzny masy blisko ścieżki, nie wiemy dokładnie, gdzie będzie prąd powrotny, co tworzy silną emisję i odbiór EMI.

Aby szybko podsumować tę kwestię uziemienia, mamy dwie wytyczne dotyczące projektowania PCB RF:

• Nie oddzielaj fizycznie ani nie dziel warstwy płaszczyzny na wyspy z komponentami cyfrowymi i analogowymi, próbując połączyć je kondensatorem. Będziesz miał źle zaprojektowaną ścieżkę powrotną, która stwarza problem EMI. Po prostu użyj pojedynczej warstwy płaszczyzny i naucz się śledzić ścieżki powrotne.
• Wykorzystaj warstwy płaszczyznowe, aby zapewnić integralność sygnału i zasilania. Oznacza to, że nawet jeśli masz prostą płytę RF z tylko kilkoma komponentami, będziesz potrzebować co najmniej płyty 4-warstwowej, aby zapewnić niezbędne warstwy płaszczyznowe.

Aby dowiedzieć się więcej o znaczeniu uziemienia w układzie PCB RF, przeczytaj więcej o ścieżkach powrotnych w twoim PCB w tym ostatnim artykule.

Trasowanie Twoich Ścieżek RF

Teraz nadszedł czas na zabawną część: trasowanie RF. Wszystkie trasowania RF wymagają kontrolowanej impedancji. Może to wymagać umieszczenia sieci zakończeniowej, aby zapewnić transfer mocy do komponentu (np. dzielnika lub anteny), lub umieszczenia filtra/wzmacniacza, aby dostosować konkretne częstotliwości przemieszczające się wzdłuż połączenia. Komponenty, które mają zintegrowane wyjście RF, mogą mieć wymagane zakończenie na die, więc upewnij się, że sprawdziłeś to przed umieszczeniem jakichkolwiek komponentów zakończeniowych na końcu sterownika twojego połączenia RF.

Geometrie Ścieżek

Gdy nadejdzie czas na trasowanie krytycznych ścieżek RF, będziesz musiał zdecydować się na geometrię ścieżki. W częstotliwościach Wifi i wyższych, większość not aplikacyjnych komponentów będzie polecać użycie uziemionego falowodu koplanarnego do trasowania ścieżek RF. Jednakże, jako projektant, to Ty musisz rozważyć zalety i wady różnych geometrii ścieżek. Podsumowałem je w poniższej tabeli.

W przypadku wszystkich powyższych geometrii, zazwyczaj mamy do czynienia z sygnałami wąskopasmowymi, a laminaty FR4 mają tendencję do bardzo niskiej dyspersji w wąskich pasmach, które znajdziesz w praktycznych standardach sygnalizacji bezprzewodowej/RF. Jednym wyjątkiem, o którym mogę teraz pomyśleć, jest radio definiowane programowo, które wymaga takiego samego podejścia do projektowania docelowej impedancji jak ścieżki dla sygnałów cyfrowych (tj. podejście szerokopasmowe). Poza tym obszarem zastosowań, generalnie możesz ignorować dysspersję FR4 i otrzymasz dokładne obliczenie impedancji za pomocą solvera polowego, o ile znasz wartości Dk i tangens kąta strat przy twojej docelowej częstotliwości.

Wpływ długości ścieżki i przelotek

Poruszam kwestię długości ścieżek i przelotek w połączeniach RF, ponieważ mogą one mieć podobny wpływ na całkowite straty i zniekształcenie sygnału w PCB RF, ale nie w ten sam sposób. Niektórzy projektanci twierdzą, że zawsze należy używać jak najkrótszych długości ścieżek dla sygnałów wysokiej częstotliwości, ale wydaje się, że nie do końca rozumieją, dlaczego jest to ważne. Strata jest czynnikiem, ale tak samo ważna jest impedancja wejściowa, która ma szczególne znaczenie w sieciach zakończeniowych i połączeniach z kondensatorami sprzęgającymi.

Podsumowując, istnieje lista wytycznych dotyczących układu RF, której należy przestrzegać w odniesieniu do długości ścieżek i liczby przelotek w połączeniach:
Ścieżki między komponentami w obwodach RF, takimi jak elementy pasywne w filtrze, mogą zachowywać się jak linie transmisyjne, nawet jeśli trasowanie między ścieżkami jest krótkie.

• Straty są ważne, ale straty na krótkich połączeniach dominują straty zwrotne, które są spowodowane niedopasowaniem między dwiema impedancjami. Niedopasowanie należy rozwiązać, projektując z dokładną impedancją, zwykle za pomocą solvera polowego.
• Jeśli zaprojektowałeś mikropaskę z kontrolowaną impedancją, to prowadź ją jako mikropaskę. Nie prowadź mikropaski jako falowodu współpłaszczyznowego, ponieważ umieszczenie masy i przelotek wokół mikropaski zmieni jej impedancję.
• Vias mogą zacząć działać jak filtry lub rezonatory przy wysokich częstotliwościach, takich jak przewlekane vias przy częstotliwościach mmWave. Nie prowadź sygnału przez zbyt wiele vias, ponieważ straty będą się sumować, a także nie zostawiaj niepotrzebnych części vias na liniach transmisyjnych wysokiej częstotliwości.
• Przestrzegaj innych standardowych wytycznych dotyczących trasowania dla PCB wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości, aby zapewnić utrzymanie impedancji i minimalizację strat/zniekształceń. O trasowaniu opowiem więcej w przyszłym artykule.

Układ PCB RF może być skomplikowany dla projektantów cyfrowych, ale funkcje projektowe w Altium Designer® pomogą Ci trasować z wysoką dokładnością i eksportować projekt do analizy w solwerach polowych Ansys za pomocą narzędzia EDB Exporter. Altium Designer i Ansys połączyły siły, aby dać inżynierom RF i projektantom PCB łatwy sposób na współpracę przy projektach wysokich częstotliwości i pełną ocenę układu PCB RF.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał udostępnić pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365 ułatwia współpracę i dzielenie się projektami. Funkcje takie jak komentowanie, udostępnianie projektu i zarządzanie dostępem użytkowników pozwalają łatwo przeprowadzić recenzję układu PCB RF, gdzie wymagane zmiany mogą być oznaczone w układzie PCB i wysłane z powrotem do projektanta w celu modyfikacji. Altium 365 ułatwia również szybkie udostępnianie danych produkcyjnych twojemu producentowi PCB, wszystko to bez wysyłania e-maili czy korzystania z zewnętrznych programów do czatowania.

Dopiero zaczęliśmy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365 w tym blogu o projektowaniu RF. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji dotyczących technik projektowania PCB RF lub jedno z Webinarów na Żądanie.