Thiết kế PCB tần số cao: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tín hiệu RF
Với sự phát triển của công nghệ Internet of Things, việc các sản phẩm điện tử mang chức năng giao tiếp không dây ngày càng trở nên phổ biến hơn và công nghệ truyền thông không dây dựa vào mạch RF trên PCB để đạt được. Thật không may, ngay cả các nhà thiết kế PCB, đối với Mạch RF cũng thường bị cấm, bởi vì nó mang lại những thách thức thiết kế lớn và yêu cầu các công cụ phân tích mô phỏng và thiết kế chuyên nghiệp. Do đó, trong nhiều năm, phần RF của PCB đã được thiết kế bởi các nhà thiết kế độc lập có chuyên môn về thiết kế RF.
Kỹ sư thiết kế mạch RF sau 18 võ công đã xuất binh thiết kế sơ đồ mạch RF bên dưới, xuất định dạng DXF sang PCB Layout để sao chép. Thật tuyệt phải không?
Sau khi thiết kế PCB, Siege Lion nhập tệp định dạng DXF của mạch RF, họ nhận thấy rằng dấu vết có cả góc vuông và góc nhọn. Tôi thầm nghĩ, emmm, tần số vô tuyến này là nước thật, lương cao hơn cả lao động và tiền vốn nên không cần thiết phải tránh vát nhọn và chuyển cung. Hiểu, sau đó tối ưu hóa lại định tuyến của phần mạch RF
kết quả…
Để tránh hiểu lầm sau này, vi khuẩn tần số vô tuyến gọi ra vi khuẩn bố trí sau khi tan sở, đóng cửa và tay cầm để hướng dẫn một số điểm liên quan của thiết kế PCB tần số vô tuyến.
Theo lý thuyết mạch tần số vô tuyến, khi bước sóng của tín hiệu truyền trên đường nối tín hiệu có thể so sánh với kích thước hình học của phần tử mạch rời rạc, tấm đệm của chân IC tần số vô tuyến, đường truyền của tín hiệu tần số vô tuyến trên PCB, thiết bị thụ động tần số vô tuyến, Vias và thậm chí cả đồng nối đất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của tín hiệu RF.
Dòng microstrip là một lựa chọn lý tưởng để truyền tín hiệu tần số cao trên PCB. Trừ khi khoảng cách kết nối giữa IC và ăng-ten rất ngắn, vui lòng sử dụng cáp đồng trục hoặc đường truyền có trở kháng đặc tính phù hợp. Trên board mạch in, tốt nhất nên sử dụng đường truyền microstrip có cấu tạo như hình bên dưới.
Đường truyền microstrip bao gồm một vết kim loại có chiều rộng cố định (dây dẫn) và một khu vực mặt đất ngay bên dưới (lớp liền kề). Ví dụ, vết trên lớp 1 (kim loại trên cùng) yêu cầu diện tích mặt đất vững chắc trên lớp 2. Chiều rộng của vết, độ dày của lớp điện môi và loại chất điện môi xác định trở kháng đặc trưng (thường là 50Ω hoặc 75Ω).
Tất nhiên, ngoài đường microstrip, còn có một đường truyền phổ biến là dây dải, như hình bên dưới
Đường dải bao gồm các dấu vết có chiều rộng cố định trên lớp bên trong và các khu vực tiếp đất bên trên và bên dưới nó. Dây dẫn có thể nằm ở giữa khu đất hoặc có độ lệch nhất định. Phương pháp này phù hợp với định tuyến tần số vô tuyến bên trong.
Vì đường dây dải cũng thích hợp cho định tuyến RF, tại sao Lao Wu lại nói rằng đường dây vi mạch là lựa chọn lý tưởng để truyền tín hiệu tần số cao trên PCB?
Cho dù đó là đường microstrip hay đường dải, cả hai đều có hiệu suất tuyệt vời trong việc truyền tần số sóng milimet và sự khác biệt nằm ở chi phí sản xuất.
So với mạch dải, mạch microstrip có ít bước xử lý hơn và các thành phần mạch dễ đặt hơn, do đó dễ sản xuất hơn (chi phí sản xuất thấp hơn). So với dòng microstrip, dòng dải có thể cách ly nhiều hơn cho các dòng mạch liền kề và hỗ trợ bố trí thành phần dày đặc hơn. Ngoài ra, mạch dải cũng rất thích hợp để sản xuất bảng mạch nhiều lớp, mỗi lớp có thể cách ly tốt.
Các đặc tính điện của dây dẫn microstrip và dây dẫn dải bị ảnh hưởng bởi hằng số điện môi của vật liệu cách điện và hiệu ứng lân cận của lớp đất. Đường microstrip chỉ có một mặt phẳng mặt đất, trong khi đường dải có hai mặt phẳng mặt đất. Đối với đường dây vi mạch, hằng số điện môi hiệu dụng ảnh hưởng đến trở kháng của vật dẫn là tổng của hằng số điện môi tương đối của vật liệu cách điện và không khí bên trên mạch (bằng 1). Hằng số điện môi hiệu dụng của đường dải là tổng các hằng số điện môi tương đối của các chất nền trên và dưới của vật dẫn.
Như với tất cả các mạch tần số cao, việc kiểm soát trở kháng là rất quan trọng để đạt được hiệu suất điện đáp ứng pha và biên độ nhất quán. Trở kháng của các dây dẫn của hai đường dây tải điện, trong số các yếu tố khác, là hàm số của chiều rộng của dây dẫn, chiều dày của dây dẫn, chiều dày của chất cách điện và điện trở tương đối hoặc hằng số điện môi của chất nền. Đối với đường dây dải, không quan trọng là khoảng cách giữa dây dẫn trung tâm và hai mặt phẳng đất có bằng nhau hay không, hoặc hằng số điện môi của chất cách điện ở trên và dưới dây dẫn có giống nhau hay không (điều này cũng đúng đối với đường microstrip).
Đường dây dải có hai mặt phẳng đất, do đó, đường dây 50Ω (hoặc bất kỳ trở kháng nhất định nào) của đường dây dải mỏng hơn dây dẫn có cùng trở kháng của đường dây microstrip. Mặc dù dây mỏng hơn hỗ trợ mật độ mạch lớn hơn, nhưng dây mỏng hơn cũng yêu cầu dung sai chế tạo chặt chẽ hơn và hằng số điện môi của toàn bộ nền mạch phải rất nhất quán. Tổn thất điện môi của đường truyền một đầu (không cân bằng) của đường vi mạch (được xác định bởi hệ số tiêu tán của chất nền) nhỏ hơn so với đường truyền dải. Điều này là do một số đường trường của dòng microstrip nằm trong không khí, và hệ số tiêu tán có thể được bỏ qua.
Tất nhiên, hiệu suất của hai đường truyền này thực sự gần giống như hiệu suất của sóng mang được sử dụng trong sản xuất của chúng - chất nền cách điện. Cũng như các vật liệu PCB được sử dụng, chẳng hạn như FR-4, có thể giảm chi phí, nhưng đồng thời hạn chế hiệu suất của nó. Theo các dòng microstrip khác nhau và các ứng dụng dòng dải, việc chọn vật liệu phù hợp nhất sẽ phát huy tốt hơn vai trò của hai đường truyền này. lợi thế.
Như với nhiều quyết định kỹ thuật, sự lựa chọn của microstrip hoặc dải sẽ được cân nhắc. Ví dụ, mạch dải có mật độ mạch cao. Do đó, trong cùng điều kiện tần số, chúng đòi hỏi nhiều lớp vật liệu hơn, nhiều thời gian và chi phí xử lý hơn, đồng thời chú ý đến xử lý chi tiết nhiều hơn so với các mạch microstrip.
So với các đường dây microstrip và đường dây dải thông thường, có một loại đường truyền tần số vô tuyến khác là ống dẫn sóng đồng phẳng nối đất, giúp cách ly tốt hơn giữa các đường tần số vô tuyến liền kề và các đường tín hiệu khác. Phương tiện này bao gồm dây dẫn ở giữa và khu vực nối đất ở hai bên và bên dưới như hình dưới đây:
Bạn nên lắp đặt qua "hàng rào" ở cả hai bên của ống dẫn sóng đồng phẳng nối đất, như thể hiện trong hình bên dưới. Hình ảnh từ trên xuống này cung cấp một ví dụ về việc lắp đặt một hàng dây nối đất trong khu vực đất bằng kim loại trên cùng trên mỗi mặt của dây dẫn trung gian. Dòng điện vòng gây ra trên lớp trên cùng bị ngắn mạch xuống mặt đất bên dưới.
So với dòng microstrip, ống dẫn sóng đồng phẳng nối đất không chỉ có mặt phẳng ở bề mặt dưới cùng của phương tiện, mà còn có mặt phẳng ở cả hai bên của đường truyền tín hiệu trên đỉnh của phương tiện, vì vậy nó có mặt bằng lớn hơn khu vực. Ống dẫn sóng đồng phẳng đạt được sự ổn định của hiệu suất điện bằng cách sử dụng mặt đất để bao quanh đường tín hiệu.
Các chế độ truyền của đường dây microstrip và mạch dẫn sóng đồng phẳng nối đất đều là chế độ điện từ bán ngang (quasi-TEM). Do cấu trúc nối đất nâng cao của mạch dẫn sóng đồng phẳng nối đất, việc gia công nó phức tạp hơn ở một mức độ nhất định. So với dòng microstrip, mạch dẫn sóng đồng phẳng nối đất có đặc điểm là độ phân tán thấp. Khi tần số tăng đến dải sóng milimet, mạch dẫn sóng đồng phẳng nối đất có tổn thất bức xạ thấp hơn mạch đường dây microstrip.
Do cấu trúc nối đất tăng cường, mạch dẫn sóng đồng phẳng nối đất có băng thông hiệu dụng rộng hơn và phạm vi trở kháng lớn hơn so với mạch microstrip. Tuy nhiên, cấu trúc mạch microstrip tương đối mạnh mẽ và cấu trúc mạch nối đất đơn giản của nó rất dễ xử lý. Ngoài ra, hiệu suất của mạch microstrip không nhạy cảm với các yếu tố xử lý mạch và hiệu suất mạch của nó ít bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt về khắc khe / khe hở ruột dẫn và sự khác biệt về độ dày của dây dẫn.
Các khúc cua gấp trong bố cục mạch RF được thiết kế đặc biệt để bù uốn cong đường truyền.
Khi đường dây tải điện được yêu cầu uốn cong (thay đổi hướng) do các ràng buộc của hệ thống dây dẫn, bán kính uốn cong được sử dụng ít nhất phải bằng 3 lần chiều rộng của dây dẫn trung gian. Nói cách khác:
Bán kính uốn ≥ 3 × (chiều rộng đường).
Điều này giảm thiểu sự thay đổi trở kháng đặc tính của góc.
Nếu không thể đạt được độ uốn từ từ, đường truyền có thể được uốn theo góc vuông (không cong), như trong hình dưới đây. Tuy nhiên, điều này phải được bù đắp để giảm sự thay đổi đột ngột về trở kháng do sự gia tăng chiều rộng đường dây hiệu dụng cục bộ khi đi qua điểm uốn.
sản phẩm khác của chúng tôi:
