Настанова з компоновки друкованих плат для радіочастотних та змішаних сигналів

Настанова містить вказівки та пропозиції щодо проєктування та компоновки друкованих плат для радіочастотних та змішаних сигналів.

Лінії передачі радіочастотних сигналів на друкованій платі.

Для багатьох радіочастотних компонентів потрібні лінії (провідникові доріжки) з контрольованим опором для передачі радіочастот­них сигналів до або від ІМС, які розташовані на дру­кованій платі. Ці лінії передачі можуть бути реалізо­вані на зовнішньому шарі (верхньому чи нижньому) або заховані у внутрішньому шарі друкованої пла­ти. Рекомендації, які містить стаття, включають мікросмужкові, підвішені смужкові лінії, копланарні хвилеводи та їх характеристичний опір. Вони також включають вимоги до вигинів цих ліній або провід­никових доріжок, їх кутову компенсацію, а також вимоги до зміни шарів для провідникових доріжок.

Мікросмужкові лінії.

Цей тип лінії передачі сигналів складається з металевої провідникової доріжки фіксованої ширини разом із безперерв­ною площиною заземлення, розташованою безпо­середньо під нею на сусідньому шарі. Наприклад, для мікросмужки на шарі 1 (верхній шар) потрібна площина заземлення на шарі 2 (рис. 1). Ширина доріжки або лінії, товщина шару діелектрика та тип діелектрика визначають характеристичний опір, який зазвичай дорівнює 50 або 75 Ом.

Підвісна смужкова лінія.

Ця лінія складається з доріжки фіксованої ширини на внутрішньому шарі з площинами заземлення на шарах над і під доріж­кою. Провідник розташований посередині між площинами заземлення (рис. 2), або він також може бути зміщений (рис. 3).

Рис. 2. Підвісна смужкова лінія у центрі  між площинами заземлення

Компланарний хвилевід (заземлений).

Компланарний хвилевід забезпечує кращу ізоляцію між сусідніми радіочастотними лініями, а також іншими сигнальними лініями (рис. 4). Він складається з центрального провідника з площинами заземлен­ня з обох боків і знизу.

“Огородження” з прохідних отворів рекомендо­вано встановлювати з обох боків компланарного хвилеводу, як показано на рис. 5. Заземлені отвори знаходяться на верхній металевій площині кріплен­ня з обох боків від центрального провідника. Зво­ротні струми, наведені на верхньому шарі, зами­каються на нижній шар з заземленням.

Слід зазначити, що підвісна смужкова лінія більш придатна для передачі ВЧ-сигналів, ніж мікросмужкова лінія, оскільки має більш високе зна­чення добротності Q і менші втрати. В даний час підвісна смужкова лінія широко використовується в пасивних і активних схемах, таких як помножувачі частоти, змішувачі та фільтри.

Існує кілька ме­тодів розрахунку для ширини лінії сигнального провідника для досягнення цільового характери­стичного опору. Однак слід бути обережним при використанні діелектричної проникності шарів. Зовнішні ламіновані шари типових друкованих плат часто містять менше скла, ніж серцевина плати, і, отже, їх діелектрична проникність нижча. Наприк­лад, серцевина FR4 зазвичай має діелектричну проникність εR = 4.2, тоді як шари зовнішнього ла­мінату зазвичай мають εR = 3.8. Типові приклади параметрів характеристичного опору наведені у табл.1. Товщина металевої доріжки для цих при­кладів складає 0,036 мм і містить 1 унцію або 28.3495 г міді.

Вигин провідникової доріжки та компенса­ція обмежень, пов’язаних з кутом вигину.

Якщо на друкованій платі використовуються перехідні лі­нії або доріжки, це може викликати деякі обме­ження у передачі сигналу. Щоб запобігти цьому, радіус вигину провідникової доріжки треба брати у три рази більшим за ширину цієї доріжки. Це буде мінімізувати зміну характеристичного імпедансу через вигин провідникової доріжки. У випадках, коли на друкованій платі це неможливо забезпечи­ти, треба робити вигин провідникової доріжки з ви­різом, як показано на рис. 6. Але у цьому випадку слід компенсувати підвищення опору доріжки. Як стандартний метод компенсації використовується оптимальний кут різання (рис. 6), який можна роз­рахувати за формулою:

де M – відрізана частка (%) металевої доріжки.

Ця формула не враховує рівень діелектричної проникності друкованої плати, але щоб її можна було використовувати на практиці, слід дотриму­ватися умови, при якій w/h > 0.25.

Таблиця 1. Приклади характеристичного імпедансу

Перехід ліній передачі сигналів на друкова­ній плати з одного шару на інший.

Коли тополо­гія друкованої плати вимагає переходу ліній пере­дачі сигналів з одного шару до іншого, бажано ви­користовувати два перехідні отвори для мінімізації паразитної індуктивності. Два перехідних отвори будуть ефективно зменшувати паразитну індуктивність на величину до 50 %, причому отвір з макси­мальним діаметром повинен бути сумісним з ши­риною провідникової доріжки. Для прикладу, мікросмужкова лінія шириною 15 мм повинна викори­стовуватися з перехідним отвором діаметром від 15 до 18 мм. Якщо топологія друкованої плати не дозволяє використати перехідний отвір з таким діаметром, слід використати декілька перехідних отворів з меншими діаметрами.

Ізоляція сигнальних ліній на друкованій пла­ті.

При проєктуванні друкованої плати необхідно запобігати взаємного електромагнітного впливу або зв’язку. Для цього приймаються такі міри:

Радіочастотні лінії передачі сигналу.

Такі лі­нії слід рознести якомога далі одна від одної. Чим ближче розташовані такі паралельні лінії, тим біль­ше їх зв’язок. Паралельні лінії, які розташовані на різних шарах, повинні мати між собою захисний шар з заземленням. Лінії або шини великої потуж­ності (які використовуються для електроживлен­ня), якщо це можливо, не слід розташовувати на одному шарі з сигнальними лініями. Компланарний хвилевід з заземленням є найкращим рішенням проблеми ізоляції сигнальних ліній. Він дозволяє отримати рівень ізоляції -45 дБ між радіочастотни­ми лініями передачі сигналів на друкованій платі.

Лінії передачі цифрових ВЧ-сигналів.

Ці лінії слід розташувати на іншому шарі друкованої плати відносно ліній передачі радіочастотних сигналів, тому що цифровий шум від генераторів та інших цифрових вузлів може викликати помилкову моду­ляцію радіочастотних сигналів. Можуть також за­стосовані спеціальні міри для зниження цифрових шумів.

Лінії (шини) електроживлення.

Ці лінії слід використовувати на додатковому шарі з викори­станням розв’язуючих конденсаторів.

Шар заземлення.

Зазвичай на практиці шар заземлення – це другий шар, а перший шар вико­ристовується для радіочастотних компонентів. Для підвісних смужкових ліній без зміщення та зі змі­щенням обов’язковим є використання шару зазем­лення над і під цими лініями (рис. 7 та 8). Ці шари не призначені для шин електроживлення або сиг­нальних ліній і обов’язково повинні мати заземлен­ня. Перехідні отвори повинні бути використані у до­статній кількості, щоб зменшити паразитні індук­тивності. Ці отвори також допомагають знизити електромагнітний зв’язок ВЧ-лінійи з іншими лі­ніям на друкованій платі.

Рекомендації щодо прохідних отворів та шарів заземлення.

Розташування перехідних отворів повинно враховувати напрямок зворотних струмів від компонентів до шару заземлення.

Маршрутизація та розв’язка шин електро­живлення.

Існуюча практика рекомендує викори­стовувати конфігурацію шин електроживлення типу “зірки”, якщо компонент має декілька джерел живлення (рис. 9). Розв’язуючий конденсатор най­більшої ємності слід розташувати на вершині “зір­ки”, конденсатори меншої ємності розташовують на променях “зірки”. Параметри конденсаторів меншої ємності залежать від максимальної частоти роботи схеми.

Зіркова конфігурація допомагає зменшити до­вжину шини зворотного струму до компонента, якщо всі компоненти підключені до однієї шини живлення. Шина зворотного струму великої довжини підвищує паразитну індуктивність, яка може спотворити сигнали зворотного зв’язку у пристрої на друкованій платі. Слід також пам’ятати про не­обхідність розв’язки шин постійного та змінного струмів.

Вибір розв’язуючих конденсаторів.

Конден­сатори мають частотний діапазон, обмежений власною резонансною частотою. Крім того, кон­денсатори можуть вносити додаткову паразитну індуктивність, що обмежує такі конденсатори у за­стосуванні в ланцюгах розв’язки. Слід відмітити, що чим більше ємність конденсатора тим менша його власна резонансна частота. Наприклад, для конденсатора ємністю 0.2 пФ у корпусі 0402 для поверхневого монтажу власна резонансна частота складає 14 ГГц, у конденсатора ємністю 2 пФ у та­кому же корпусі ця частота дорівнює 4 ГГц. Типові параметри деяких конденсаторів для використан­ня у колах розв’язки наведені у табл. 2.

Рекомендації з розташування розв’язуючих конденсаторів.

Виходячи з того, що джерела жив лення мають заземлення для постійного та змінно­го струмів, важливо мінімізувати паразитну індук­тивність, яку створюють зворотні струми земляної шини. Величина паразитної індуктивності в значній мірі залежить від розташування розв’язуючих кон­денсаторів на друкованій платі відносно земляної шини. Існує два базових метода такого розташу­вання, як показано на рис. 10, 11.

У цій топології прохідний отвір, який з’єднує контактну площинку ІМС на верхньому шарі з внут­рішнім шаром, як правило, затримує зворотний змінний струм, а це призводить до додаткової па­разитної індуктивності. Тому вивід ІМС VCC , через який проходить змінний зворотний струм, треба підключити до розв’язуючого конденсатора, як по­казано на рис. 10.

У топології, наведеній на рис. 11, прохідний от­вір не впливає на змінний зворотний струм, але така топологія потребує більших розмірів друкова­ної плати.

Таблиця 2. Типовий частотний діапазон розв’язуючих конденсаторів

Заземлення паралельно підключених ком­понентів.

Для паралельно підключених конденса торів рекомендується використовувати декілька перехідних отворів, як показано на рис. 12. Це зменшує ефект утворення паразитних індуктивно­стей.

Підкладка ІМС з заземленням.

Деякі ІМС на компонентному шарі потребують підкладки з за­земленням для повернення зворотного струму. Крім того, ця підкладка виконує функцію радіатора для “гарячих” ІМС. Тому такі ІМС повинні мати стільки перехідних отворів, скільки дозволяє відпо­відна площа друкованої плати. На рис. 13 наведена матриця таких отворів під “гарячою” ІМС високої частоти. У разі потреби для монтажу “гарячих” ІМС на поверхню друкованої плати може бути викори­стана спеціальна паста, яка проводить тепло.

ВИСНОВКИ

Розробка друкованих плат для високочастотних компонентів потребує особливої уваги. Навіть доб­ре розроблена принципова електрична схема при неякісній компоновці та розводці зазвичай не від­повідає технічним вимогам. Існує багато спеці­альних прийомів компоновки таких друкованих плат. Деякі з них розкриті у даній публікації. При цьому слід звернути увагу на таке: для забезпечен­ня відповідних параметрів високочастотного виро­бу на основі друкованих плат бажана тісна співпра­ця розробників принципової схеми з розробника­ми друкованої плати.