Hướng dẫn Thiết kế PCB RF cho Kỹ sư Điện tử: Bố cục và Định tuyến

Tôi làm việc với nhiều người khác nhau trong ngành công nghiệp điện tử, bao gồm một số công ty về vật liệu và bán dẫn. Trong một cuộc họp, một nhà sáng lập startup đã nhận xét với tôi rằng “Các kỹ sư điện tử chỉ cần học thiết kế RF để vượt qua kỳ thi đủ điều kiện. Bây giờ chúng tôi phải quay lại, đọc một số sách về thiết kế PCB RF và học lại nó cho các sản phẩm mà chúng tôi đang thiết kế.” Đến từ lĩnh vực laser và quang học, thiết kế RF và thiết kế analog nói chung đối với tôi là tự nhiên, và tôi luôn đánh giá thấp khó khăn trong thiết kế số. Bây giờ với các hệ thống hiện đại hoạt động ở tần số cao hơn, kết hợp nhiều giao thức không dây và giao tiếp với nhiều cảm biến analog, các thiết kế tiên tiến đòi hỏi kiến thức từ cả hai lĩnh vực.

Nếu bạn là một nhà thiết kế kỹ thuật số, bạn sẽ thoải mái làm việc trong lĩnh vực thời gian và có lẽ bạn đã có một hiểu biết khái niệm tốt về hành vi điện tử phụ thuộc vào thời gian. Nếu bạn bây giờ bắt đầu làm việc trong lĩnh vực RF và bạn cần thiết kế một hệ thống tất cả-analog hoặc tín hiệu hỗn hợp, bố trí PCB RF sẽ cần trở thành một chuyên môn mới. Một khi bạn đã tạo ra bố trí PCB RF của mình, có một số công cụ giải quyết lĩnh vực bạn có thể sử dụng để đánh giá thiết kế của mình và đảm bảo hệ thống của bạn sẽ hoạt động như dự định. Nếu bạn là một nhà thiết kế kỹ thuật số và bây giờ bạn đang nhảy vào thiết kế analog tần số cao, hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu thêm về hướng dẫn thiết kế PCB RF trong bố trí và định tuyến.

Bắt Đầu Với Hướng Dẫn Bố Trí RF

Khi bạn bắt đầu một bố trí PCB RF, một số xem xét là điển hình cho bất kỳ bảng mạch nào. Bảng mạch có kích thước bao nhiêu? Các thành phần hoặc kết nối quan trọng cần được đặt ở đâu? Nó sẽ vừa vặn về mặt cơ khí vào vỏ của nó như thế nào? Đây đều là những câu hỏi quan trọng cho bất kỳ PCB nào, nhưng hệ thống RF mang một số xem xét thiết kế độc đáo cần được trả lời.

Dưới đây là một số câu hỏi quan trọng cần trả lời khi phát triển một bố trí PCB RF hoặc một hệ thống kỹ thuật số với một phần RF tần số cao:

• Đề xuất nào được liên quan?Các hệ thống RF sẽ cần thực hiện một số công việc liên quan đến tần số cao, có thể hoạt động theo một số giao thức và phạm vi tần số chuẩn hóa nào đó. Cũng có thể có nhiều hơn một giao thức trong hệ thống, và các giao thức khác nhau không nên gây nhiễu lẫn nhau.
• Tần số nào được liên quan? Nói chung, tần số thấp hơn thì dễ chịu hơn tần số cao vì hiện tượng nhiễu phụ ít được chú ý hơn ở tần số thấp. Các hệ thống RF cũng ít có khả năng gây nhiễu phát xạ lẫn nhau ở tần số thấp.
• Giao diện số nào được liên quan? Đối với một số hệ thống, các giao diện số có thể có tốc độ biên độ chậm hơn (SPI, I2C, v.v.), vì vậy chúng có thể không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất tương tự trừ khi bạn bỏ qua các phương pháp tốt nhất cho việc định tuyến và bố trí PCB. Các hệ thống nhúng có sức mạnh tính toán cao sẽ sử dụng các giao thức tốc độ cao như gigabit Ethernet, DDR, PCIe, và các giao thức khác, có thể dễ dàng tạo ra crosstalk vào mạng tín hiệu RF.

Rõ ràng, thuật ngữ "tần số cao" là chủ quan, nhưng điểm quan trọng là tần số sẽ ảnh hưởng đến nhiều quyết định thiết kế trong bố cục PCB RF. Sau đó, có những yêu cầu cụ thể của hệ thống, như bạn có thể thấy trong một PCB radar hoặc một hệ thống với ăng-ten MIMO. Các phần tương tự và số hóa cần được xử lý khác nhau do cách các thành phần tương tự tương tác với tín hiệu RF. Điều này sau đó sẽ ảnh hưởng đến lựa chọn đặt thành phần và định tuyến của bạn trong bố cục.

Kế Hoạch Bố Trí PCB Tín Hiệu Hỗn Hợp

Các nhà thiết kế số nên tiếp cận một hệ thống RF với một phương pháp kế hoạch bố trí. Mục tiêu cấp cao ở đây là nhóm các thành phần vào các khối chức năng dựa trên vai trò của chúng trong việc cung cấp chức năng cho sản phẩm. Một mục tiêu phụ là loại bỏ tình huống bạn cần phải định tuyến các kết nối RF dài khắp bảng mạch để thực hiện các kết nối cần thiết. Tôi và đội của mình sẽ làm điều này trong sơ đồ chỉ để giữ mọi thứ đơn giản khi chúng tôi nhập chúng vào bố cục PCB, và làm điều này ở phía trước giúp bạn giữ mọi thứ được tổ chức.

Hãy cố gắng giữ mọi thứ gọn gàng và phân chia thành các khối khác nhau khi có thể. Khi bạn bắt đầu phân chia các khối chức năng, bạn có nguy cơ phải định tuyến các đường truyền RF và số hóa qua lại trên bảng mạch. Điều này tạo ra nhiều điểm mà tại đó crosstalk mạnh có thể xảy ra, và việc theo dõi đường trở về trên toàn bảng mạch trở nên khó khăn hơn. Việc lập kế hoạch sàn nhà cần được thực hiện cùng với một nhiệm vụ quan trọng khác: thiết kế xếp chồng PCB.

Thiết kế Xếp Chồng PCB cho Thiết Bị RF

Việc thiết kế xếp chồng liên quan đến việc lập kế hoạch sàn nhà ở chỗ chiến lược định tuyến và bố cục của bạn sẽ yêu cầu một chiến lược tiếp đất, đặc biệt là ở các tần số RF thực tế. Xếp chồng PCB bạn sử dụng sẽ xác định quyền truy cập nguồn điện và tiếp đất trong bố cục PCB, cũng như không gian có sẵn cho việc định tuyến tín hiệu trên bảng mạch của bạn. Một ví dụ về xếp chồng PCB 8 lớp bạn có thể sử dụng cho thiết kế RF được hiển thị dưới đây. Mặc dù điều này không phải là điển hình, nó cung cấp mẫu cho việc chọn lớp và sắp xếp các lớp tín hiệu so với lớp mặt phẳng trong xếp chồng cho các tín hiệu tốc độ thấp, tốc độ cao và RF.

Trong ví dụ về cấu trúc xếp chồng này, có các đường dẫn trên lớp bề mặt trên cùng để cung cấp các kết nối trực tiếp giữa các thành phần tương tự tần số cao; những đường dẫn này có thể được định tuyến theo bất kỳ phong cách định tuyến nào mà tôi sẽ trình bày dưới đây. Ngay bên dưới, chúng ta có các lớp mặt đất/năng lượng, được đặt cạnh nhau để cung cấp dung lượng giữa các lớp và đảm bảo nguồn điện ổn định được cung cấp xuyên suốt hệ thống (cả cho các thành phần số và tương tự). Trong các lớp nội bộ, chúng ta có thể có các tín hiệu RF tần số thấp hơn, hoặc chúng ta có thể có các tín hiệu số tốc độ thấp. Ở bề mặt dưới, tôi đã cho phép khả năng có các tín hiệu số tốc độ cao, mặc dù chúng ta có thể có các tín hiệu khác nhau này pha trộn giữa các lớp trên và dưới miễn là các đường trở về được kiểm soát.

Đọc thêm về các kỹ thuật thiết kế PCB RF, lập kế hoạch cho cấu trúc xếp chồng PCB của bạn cho các hệ thống tín hiệu hỗn hợp và truy tìm một đường trở về trong bài viết gần đây của Kella Knack.

Nếu bạn không đóng gói nhiều linh kiện số trên bảng mạch, có lẽ bạn có thể từ bỏ 2 lớp. Tôi cho rằng bạn sẽ cần ít nhất 4 hoặc 6 lớp với số lượng linh kiện nhỏ do nhu cầu về hệ thống tiếp địa. Mục tiêu của việc tiếp địa là hỗ trợ định tuyến, điều mà tôi sẽ thảo luận trong phần tiếp theo của hướng dẫn về bố trí RF.

Lập Kế Hoạch Tiếp Địa để Hỗ Trợ Định Tuyến

Tiếp địa quan trọng trong việc xác định một đường trở lại trong bố trí RF, mặc dù tốt hơn là nghĩ về không gian trên bảng mạch được chiếm dụng bởi sóng điện từ di chuyển xung quanh một dấu vết. Lưu ý rằng tín hiệu di chuyển trên một kết nối không xuất hiện như một dòng điện chảy trên một dẫn điện; đây là một mô hình khái niệm không phản ánh thực tế. Sự thật là trường điện từ chiếm một không gian xung quanh dẫn điện, và sức mạnh của trường trong không gian này sẽ được xác định bởi sự hiện diện của các dẫn điện xung quanh kết nối.

Lĩnh vực xung quanh dấu vết sau đó tạo ra dòng điện trở lại dưới dạng dòng điện dịch chuyển. Điều này là bởi vì, nếu chúng ta xem xét sự sắp xếp của dấu vết microstrip và mặt đất dưới đây, chúng ta có hai dẫn điện được đưa đến các tiềm năng khác nhau và được tách biệt bởi một chất cách điện (vật liệu laminate PCB), tạo thành một tụ điện. Dòng điện dịch chuyển trên mặt đất theo dõi các đường điện trường khi chúng kết thúc tại mặt đất.

Tại sao tất cả những điều này lại quan trọng đối với bố trí PCB RF? Lý do là việc đặt mặt đất gần với các kết nối tần số cao của bạn hạn chế lĩnh vực xung quanh kết nối, và nó đảm bảo rằng dòng điện trở lại ở gần dấu vết hơn ở các tần số cao hơn. Không có mặt đất gần một dấu vết, chúng ta không biết chính xác dòng điện trở lại sẽ ở đâu, tạo ra sự phát thải và tiếp nhận EMI mạnh mẽ.

Để tóm tắt nhanh vấn đề này về tiếp đất, chúng ta có hai hướng dẫn sách thiết kế PCB RF:

• Không tách biệt về mặt vật lý hoặc chia một lớp mặt đất thành các hòn đảo với các thành phần kỹ thuật số và tương tự và cố gắng kết nối chúng lại với nhau bằng một tụ điện. Bạn sẽ có một đường trở lại được thiết kế kém cỏi tạo ra vấn đề EMI. Chỉ sử dụng một lớp mặt đất và học cách truy tìm các đường trở lại.
• Tận dụng các lớp mặt phẳng để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu và nguồn điện. Điều này có nghĩa là, ngay cả khi bạn chỉ có một bảng mạch RF đơn giản với chỉ vài linh kiện, bạn sẽ cần ít nhất một bảng mạch 4 lớp để cung cấp các lớp mặt phẳng cần thiết.

Để tìm hiểu thêm về tầm quan trọng của việc nối đất trong bố trí PCB RF, hãy đọc thêm về đường trở về trong PCB của bạn trong bài viết gần đây này.

Định Tuyến Các Đường Truyền RF

Bây giờ là lúc cho phần thú vị: định tuyến RF. Tất cả các định tuyến RF đều yêu cầu trở kháng được kiểm soát. Điều này có thể yêu cầu đặt một mạng lưới kết thúc để đảm bảo việc truyền điện vào một linh kiện (ví dụ, một bộ chia hoặc ăng-ten), hoặc đặt một bộ lọc/khuếch đại để điều chỉnh các tần số cụ thể di chuyển dọc theo kết nối liên lạc. Các linh kiện có đầu ra RF tích hợp có thể đã có sẵn trở kháng kết thúc trên chíp, vì vậy hãy chắc chắn kiểm tra điều này trước khi đặt bất kỳ linh kiện kết thúc nào ở đầu trình điều khiển của kết nối RF của bạn.

Hình Dạng Đường Dẫn

Khi đến lúc phải định tuyến các đường truyền RF quan trọng, bạn cần quyết định về hình dạng đường dẫn. Ở tần số Wifi và cao hơn, hầu hết các ghi chú ứng dụng của linh kiện sẽ khuyến nghị sử dụng đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp địa để định tuyến các đường truyền RF của bạn. Tuy nhiên, việc quyết định lựa chọn hình dạng đường dẫn nào phụ thuộc vào bạn, với tư cách là một nhà thiết kế, để cân nhắc lợi ích và bất lợi của các hình dạng đường dẫn khác nhau. Tôi đã tóm tắt những điều này trong bảng dưới đây.

Trong tất cả các hình dạng trên, chúng ta thường xử lý với các tín hiệu băng hẹp, và các lớp FR4 thường có sự phân tán khá thấp trong các băng thông hẹp bạn sẽ tìm thấy trong các tiêu chuẩn tín hiệu không dây/RF thực tế. Ngoại lệ duy nhất mà tôi có thể nghĩ đến lúc này là radio được định nghĩa bởi phần mềm, yêu cầu cùng một cách tiếp cận để thiết kế trở kháng mục tiêu như đối với các đường truyền số (tức là, một cách tiếp cận băng rộng). Ngoài lĩnh vực ứng dụng này, bạn có thể bỏ qua sự phân tán FR4 và bạn sẽ nhận được một tính toán trở kháng chính xác với một máy giải trường miễn là bạn biết các giá trị Dk và góc mất mát tại tần số mục tiêu của bạn.

Ảnh hưởng của Chiều dài Đường dẫn và Vias

Tôi đề cập đến độ dài dấu vết và vias trên các kết nối RF vì chúng có thể có những ảnh hưởng tương tự đến tổng lượng tổn thất và méo tín hiệu trong một PCB RF, nhưng không theo cùng một cách. Một số nhà thiết kế sẽ nói rằng bạn nên luôn sử dụng độ dài dấu vết ngắn nhất có thể trên các tín hiệu tần số cao, nhưng họ dường như không hiểu rõ tại sao điều đó lại quan trọng. Tổn thất là một yếu tố, nhưng trở kháng đầu vào cũng vậy, điều này đặc biệt quan trọng trong các mạng kết thúc và kết nối với tụ điện ghép nối.

Ngắn gọn, có một danh sách các hướng dẫn bố trí RF cần tuân theo liên quan đến độ dài dấu vết và số lượng via trên các kết nối:
Các dấu vết giữa các thành phần trong mạch RF, như các linh kiện bị động trong một bộ lọc, có thể hoạt động như các đường truyền tín hiệu, ngay cả khi việc định tuyến giữa các dấu vết là ngắn.

• Tổn thất là quan trọng, nhưng tổn thất trên các kết nối ngắn được chi phối bởi tổn thất trả về, do sự không khớp giữa hai trở kháng. Sự không khớp này cần được xử lý bằng cách thiết kế với trở kháng chính xác, thường là với một trình giải trường.
• Nếu bạn đã thiết kế một microstrip với trở kháng kiểm soát, sau đó hãy định tuyến nó như một microstrip. Đừng định tuyến một microstrip như một dẫn sóng coplanar vì việc đặt lớp đất và vias xung quanh một microstrip sẽ thay đổi trở kháng của nó.
• Các via có thể bắt đầu hoạt động như bộ lọc hoặc cộng hưởng tại các tần số cao, như via xuyên lỗ ở tần số sóng milimet. Đừng đi dây qua quá nhiều via vì sẽ làm tăng tổn hao, và đừng để lại phần dư của via trên các đường truyền tần số cao.
• Tuân theo các hướng dẫn định tuyến tiêu chuẩn khác cho PCB tốc độ cao/tần số cao để đảm bảo bạn duy trì trở kháng và giảm thiểu tổn hao/méo dạng. Tôi sẽ thảo luận thêm về định tuyến trong một bài viết tương lai.

Bố trí PCB RF có thể phức tạp đối với các nhà thiết kế kỹ thuật số, nhưng các tính năng thiết kế trong Altium Designer® sẽ giúp bạn định tuyến với độ chính xác cao và xuất thiết kế của mình để phân tích trong các trình giải Ansys với tiện ích EDB Exporter. Altium Designer và Ansys đã cùng nhau tạo ra một cách dễ dàng để các kỹ sư RF và nhà thiết kế PCB hợp tác về các thiết kế tần số cao và đánh giá toàn diện bố trí PCB RF.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365 giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Các tính năng như bình luận, chia sẻ thiết kế và quản lý quyền truy cập người dùng cho phép bạn dễ dàng đưa bố cục PCB RF của mình qua một quá trình xem xét thiết kế PCB, nơi các thay đổi cần thiết có thể được gắn thẻ trong bố cục PCB và gửi lại cho nhà thiết kế để chỉnh sửa. Altium 365 cũng giúp việc chia sẻ dữ liệu chế tạo với nhà sản xuất PCB của bạn trở nên nhanh chóng, mà không cần gửi email hay sử dụng các chương trình trò chuyện bên ngoài.

Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365 trong blog thiết kế RF này. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn về kỹ thuật thiết kế PCB RF hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.