Руководство цифрового инженера по принципам проектирования РЧ печатных плат: компоновка и трассировка

Я работаю с множеством разных людей в индустрии электроники, включая несколько компаний, занимающихся материалами и полупроводниками. Во время одной встречи основатель стартапа сказал мне: «Раньше инженерам-электронщикам достаточно было изучить радиочастотный дизайн, чтобы сдать квалификационные экзамены. Теперь нам нужно вернуться, почитать книги по дизайну РЧ печатных плат и переучиться для разработки наших продуктов». Имея опыт работы в области лазеров и оптики, РЧ дизайн и вообще аналоговый дизайн для меня естественны, и я всегда недооцениваю сложность цифрового дизайна. Теперь, когда современные системы работают на более высоких частотах, включают в себя множество беспроводных протоколов и взаимодействуют с множеством аналоговых датчиков, передовые разработки требуют знаний из обеих дисциплин.

Если вы цифровой дизайнер, вы чувствуете себя комфортно, работая во временной области, и, вероятно, у вас есть отличное концептуальное понимание поведения электроники, зависящей от времени. Если вы только начинаете работать в области РЧ и вам нужно разработать полностью аналоговую или смешанно-сигнальную систему, то РЧ печатная плата должна стать вашей новой специализацией. После создания вашей РЧ печатной платы существуют инструменты решения в области, которые вы можете использовать для оценки ваших проектов и убедиться, что ваша система будет работать как предполагалось. Если вы цифровой дизайнер и теперь переходите к проектированию аналоговых систем высокой частоты, продолжайте читать, чтобы узнать больше о руководствах по проектированию РЧ печатных плат в планировке и трассировке.

Начало работы с руководствами по планировке РЧ

Когда вы начинаете планировку РЧ печатной платы, некоторые соображения типичны для любой платы. Каковы размеры платы? Где должны располагаться критически важные компоненты или соединители? Как она будет механически вписываться в свой корпус? Это все важные вопросы для любой печатной платы, но системы РЧ имеют некоторые уникальные конструктивные соображения, на которые нужно ответить.

Вот некоторые важные вопросы, на которые нужно ответить при разработке планировки РЧ печатной платы или цифровой системы с высокочастотным РЧ разделом:

• Какие протоколы задействованы?RF системам потребуется работать с высокими частотами, которые могут соответствовать некоторым стандартизированным протоколам и диапазонам частот. В системе также может быть более одного протокола, и разные протоколы не должны мешать друг другу.
• Какие частоты задействованы? В общем, низкие частоты более терпимы, чем высокие, поскольку паразитные эффекты менее заметны на низких частотах. RF системы также менее склонны к взаимному влиянию излучаемых помех на низких частотах.
• Какие цифровые интерфейсы задействованы? В некоторых системах цифровые интерфейсы могут иметь более медленные скорости переключения (SPI, I2C и т.д.), поэтому они могут не оказывать значительного влияния на аналоговую производительность, если вы не игнорируете лучшие практики трассировки и размещения на печатной плате. Встроенные системы с высокой вычислительной мощностью будут использовать протоколы высокой скорости, такие как гигабитный Ethernet, DDR, PCIe и другие, которые более легко создают перекрестные помехи в сети RF сигнала.

Очевидно, что термин "высокая частота" является субъективным, но важно понимать, что частота повлияет на многие решения при проектировании раскладки ПП для РЧ. Затем есть требования, специфичные для системы, например, как вы можете видеть в РЧ ПП для радара или системе с антеннами MIMO. Аналоговые и цифровые секции необходимо обрабатывать по-разному из-за того, как аналоговые компоненты взаимодействуют с РЧ сигналами. Это, в свою очередь, повлияет на ваш выбор размещения компонентов и трассировки на плате.

Планирование этажей смешанных сигналов ПП

Цифровым дизайнерам следует подходить к РЧ системе с точки зрения планирования этажей. Здесь главная цель - группировать компоненты в функциональные блоки в зависимости от их роли в обеспечении функциональности продукта. Побочная цель - исключить ситуацию, когда вам нужно прокладывать длинные РЧ соединения по всей плате для создания необходимых соединений. Я и моя команда делаем это на схемах, чтобы упростить процесс, когда мы импортируем их в раскладку ПП, и делать это на начальном этапе помогает вам держать вещи организованными.

Постарайтесь держать все компактно и разделять элементы на разные блоки, где это возможно. Когда вы начинаете разделять ваши функциональные блоки, возникает риск необходимости прокладывать РЧ и цифровые трассы туда и обратно по плате. Это создает больше мест, где может происходить сильная перекрестная помеха, и отслеживать ваш путь возврата по всей плате становится сложнее. Планирование расположения элементов на плате должно проводиться вместе с другой важной задачей: проектированием стека слоев печатной платы.

Проектирование стека слоев печатной платы для РЧ устройств

Проектирование стека слоев связано с планированием расположения элементов на плате тем, что ваша стратегия трассировки и компоновка потребуют стратегии заземления, особенно на практических РЧ частотах. Стек слоев печатной платы, который вы используете, определит ваш доступ к питанию и земле в компоновке печатной платы, а также доступное пространство для трассировки сигналов на вашей плате. Пример стека слоев печатной платы на 8 слоев, который вы можете использовать для РЧ дизайна, показан ниже. Хотя это и не типично, это дает образец для выбора слоев и расположения сигнальных слоев по сравнению с плоскостными слоями в стеке для низкоскоростных, высокоскоростных и РЧ сигналов.

В этом примере стека слоев на верхнем поверхностном слое расположены дорожки для обеспечения прямых соединений между компонентами высокочастотной аналоговой электроники; их можно проложить в любом из стилей трассировки, которые я представлю ниже. Непосредственно под ним находятся слои земли/питания, которые расположены рядом для обеспечения межплоскостной емкости и для гарантии стабильного питания по всей системе (как для цифровых, так и для аналоговых компонентов). Во внутренних слоях мы можем иметь другие (низкочастотные) РЧ сигналы, или мы можем иметь низкоскоростные цифровые сигналы. На нижней поверхности я предусмотрел возможность наличия высокоскоростных цифровых сигналов, хотя мы могли бы разместить эти различные сигналы как на верхних, так и на нижних слоях, при условии контроля за путями возврата.

Читайте больше о техниках проектирования РЧ печатных плат, планировании вашего стека слоев для систем смешанных сигналов и трассировке пути возврата в недавней статье от Келлы Нак.

Если вы не размещаете на плате много цифровых компонентов, возможно, вы сможете обойтись без двух слоев. Я бы утверждал, что вам понадобится как минимум 4 или 6 слоев даже при небольшом количестве компонентов из-за необходимости заземления в системе. Цель заземления - поддержка трассировки, о чем я расскажу в следующем разделе руководства по разводке РЧ-макетов.

Планирование заземления для поддержки трассировки

Заземление важно для определения пути возврата в РЧ-макете, хотя лучше думать в терминах пространства на плате, занятого перемещающимися электромагнитными волнами вокруг дорожки. Заметьте, что сигнал, передаваемый по соединению, не выглядит как ток, протекающий по проводнику; это концептуальная модель, которая не соответствует действительности. На самом деле электромагнитное поле занимает некоторое пространство вокруг проводника, и сила поля в этом пространстве будет определяться наличием проводников вокруг соединения.

Поле вокруг дорожки затем вызывает появление возвратного тока как смещающего тока. Это происходит потому, что, если мы рассмотрим расположение микрополосковой дорожки и земляной плоскости, показанное ниже, у нас есть два проводника, приведенных к разным потенциалам, которые разделены изолятором (материалом печатной платы), образуя конденсатор. Смещающий ток в земляной плоскости следует за линиями электрического поля, поскольку они заканчиваются на земляной плоскости.

Почему это так важно для компоновки РЧ печатных плат? Причина в том, что размещение земли рядом с вашими высокочастотными соединениями ограничивает поле вокруг соединения, и это обеспечивает близость возвратного тока к дорожке на более высоких частотах. Без земляной плоскости рядом с дорожкой мы не знаем точно, где будет возвратный ток, что создает сильные эмиссии и прием электромагнитных помех.

Чтобы кратко подытожить этот момент о заземлении, у нас есть два руководства по дизайну РЧ печатных плат:

• Не разделяйте физически слой плоскости на островки с цифровыми и аналоговыми компонентами и не пытайтесь соединить их конденсатором. У вас получится плохо продуманный путь возврата, который создает проблему с электромагнитными помехами. Просто используйте один слой плоскости и научитесь прокладывать пути возврата.
• Используйте слои земли и питания, чтобы обеспечить целостность сигнала и питания. Это означает, что даже если у вас простая РЧ плата с несколькими компонентами, вам потребуется как минимум четырехслойная плата для обеспечения необходимых слоев земли и питания.

Чтобы узнать больше о важности заземления в компоновке РЧ печатной платы, прочтите больше о возвратных путях в вашей печатной плате в этой недавней статье.

Прокладка Ваших РЧ Дорожек

Теперь настало время для интересной части: прокладка РЧ дорожек. Вся прокладка РЧ требует контролируемого импеданса. Это может потребовать размещение сети завершения для обеспечения передачи мощности в компонент (например, делитель или антенна), или размещение фильтра/усилителя для коррекции определенных частот, проходящих по межсоединению. Компоненты, имеющие интегрированный РЧ выход, могут иметь необходимое завершение на кристалле, поэтому обязательно проверьте это перед размещением каких-либо компонентов завершения на конце вашего РЧ межсоединения.

Геометрия Дорожек

Когда приходит время прокладывать ваши критически важные РЧ-трассы, вам нужно будет выбрать геометрию трассы. На частотах Wi-Fi и выше большинство примечаний к применению компонентов рекомендуют использовать заземленный копланарный волновод для прокладки ваших РЧ-трасс. Однако вам, как конструктору, предстоит взвесить плюсы и минусы различных геометрий трасс. Я подвел итоги в таблице ниже.

Во всех вышеупомянутых геометриях мы обычно имеем дело с узкополосными сигналами, и ламинаты FR4 обычно имеют довольно низкую дисперсию в узких полосах пропускания, которые вы можете встретить в практических стандартах беспроводной/РЧ связи. Единственное исключение, которое приходит мне в голову в данный момент, - это программно-определяемое радио, которое требует такого же подхода к проектированию целевого импеданса, как и для цифровых трасс (т.е. широкополосный подход). Помимо этой области применения, вы можете в общем случае игнорировать дисперсию FR4, и вы получите точный расчет импеданса с помощью решателя поля, если вы знаете значения Dk и тангенса угла потерь на вашей целевой частоте.

Влияние длины трасс и переходных отверстий (vias)

Я затрагиваю вопрос длины трасс и переходных отверстий (виас) в радиочастотных соединениях, потому что они могут оказывать похожее влияние на общие потери и искажение сигнала в радиочастотной печатной плате, но не одинаковым образом. Некоторые разработчики утверждают, что всегда следует использовать наименьшую возможную длину трасс для сигналов высокой частоты, но они, кажется, не совсем понимают, почему это важно. Потери являются фактором, но также важен входной импеданс, который особенно важен в сетях завершения и соединениях с конденсаторами связи.

Короче говоря, существует список рекомендаций по проектированию радиочастотных плат, касающихся длины трасс и количества виас в соединениях:
Трассы между компонентами в радиочастотных цепях, такими как пассивные элементы в фильтре, могут вести себя как линии передачи, даже если маршрутизация между трассами короткая.

• Потери важны, но потери на коротких соединениях определяются возвратными потерями, которые вызваны несоответствием между двумя импедансами. Несоответствие необходимо устранить, проектируя с точным импедансом, обычно с использованием решателя поля.
• Если вы спроектировали микрополоску с контролируемым импедансом, то маршрутизируйте её как микрополоску. Не маршрутизируйте микрополоску как копланарный волновод, потому что размещение земляного слоя и виас вокруг микрополоски изменит её импеданс.
• Виасы могут начать действовать как фильтры или резонаторы на высоких частотах, таких как сквозные отверстия на частотах миллиметрового диапазона. Не прокладывайте маршрут через слишком много виас, так как потери будут накапливаться, и не оставляйте остаточные части виас на линиях передачи высокой частоты.
• Следуйте другим стандартным рекомендациям по трассировке для печатных плат высокой скорости/высокой частоты, чтобы обеспечить поддержание импеданса и минимизацию потерь/искажений. Я обсужу трассировку более подробно в будущей статье.

Размещение компонентов на ПП для РЧ может быть сложным для цифровых дизайнеров, но функции дизайна в Altium Designer® помогут вам трассировать с высокой точностью и экспортировать ваш дизайн для анализа в решениях Ansys с помощью утилиты EDB Exporter. Altium Designer и Ansys объединились, чтобы предоставить инженерам РЧ и дизайнерам печатных плат простой способ сотрудничества над дизайном высокочастотных плат и полной оценки размещения компонентов на РЧ ПП.

Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами. Функции, такие как комментирование, обмен дизайном и управление доступом пользователей, позволяют вам легко продвигать вашу разводку РЧ печатной платы через процесс проверки дизайна ПП, где необходимые изменения могут быть отмечены в разводке ПП и отправлены обратно дизайнеру для модификации. Altium 365 также упрощает быстрый обмен данными о производстве с вашим производителем печатных плат, всё это без отправки электронных писем или использования внешних программ для общения.

Мы лишь слегка коснулись того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365 в этом блоге о РЧ дизайне. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций по техникам дизайна РЧ печатных плат или один из Вебинаров по Запросу.