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高頻PCB設計:影響射頻信號性能的因素

技術中心

Technology

高頻PCB設計:影響射頻信號性能的因素

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/05/19
瀏覽量

隨著物聯網技術的興起,現在的電子產品搭載無線通訊功能是越來越普遍了,而無線通訊技術是依賴于PCB上的射頻電路來實現的,遺憾的是,即使是PCB設計人員,對于射頻電路也往往望而卻步,因為它會帶來巨大的設計挑戰,并且需要專業的設計和仿真分析工具。正因為如此,多年來,PCB 的射頻部分一直是由擁有射頻設計專長的獨立設計人員來完成設計。

射頻電路設計工程師搬出了十八般武藝,一頓猛如虎的操作之后,設計出了下邊的射頻電路版圖,并導出DXF格式給PCB Layout照抄就好了,豈不是爽歪歪

PCB設計工程師導入射頻電路DXF格式文件之后,發現走線既有直角又有尖銳的拐角,心里想,emmm,這射頻可真水,工資還比勞資高,避免尖銳倒角圓弧過渡都不懂,然后對射頻電路部分重新優化了走線
結果…

為了避免日后產生誤會,射頻菌下班后把layout菌喊了過來,關上門手把手指導了一些射頻PCB設計的相關要點。

根據射頻電路理論,當信號連接線上所傳輸的信號的波長可與分立的電路元件的幾何尺寸相比擬時,射頻IC引腳的焊盤、射頻信號在PCB上的傳輸線、射頻無源器件、過孔甚至是接地的鋪銅都是嚴重影響射頻信號性能的重要因素。

微帶線是在PCB上傳輸高頻信號的理想選擇,除非IC與天線的連接距離非常短,否則請使用特性阻抗匹配的同軸電纜或傳輸線。在印刷電路板上,最好采用如下圖所示結構的微帶線傳輸線。

微帶線傳輸線包括固定寬度金屬走線(導體)以及(相鄰層)正下方的接地區域。例如,第1層(頂部金屬)上的走線要求在第2層上有實心接地區域。走線的寬度、電介質層的厚度以及電介質的類型決定特征阻抗(通常為50Ω或75Ω)。

當然,除了微帶線,還有一種常見的傳輸線就是帶狀線,如下圖所示

帶狀線包括內層固定寬度的走線,和其上方和下方的接地區域。導體可位于接地區域中間或具有一定偏移。這種方法適合內層的射頻走線。

既然帶狀線也適合射頻走線,那老wu為啥說微帶線是在PCB上傳輸高頻信號的理想選擇呢?

無論是微帶線或是帶狀線,兩者傳輸毫米波頻率的性能都是優秀的,區別在于制造成本。

與帶狀線電路相比,微帶線電路加工步驟少,且電路元件更易于放置,因而更易于制造(制造成本更低)。而比之微帶線,帶狀線能夠為相鄰的電路線提供更多隔離,支持更密集的元器件布局。此外,帶狀線電路還非常適合制造多層電路板,各層能夠良好隔離。

微帶線與帶狀線導體的電氣性能均受絕緣材料介電常數,以及接地層鄰近效應的影響。微帶線只有一個接地層,而帶狀線有兩個接地層。對于微帶線,影響導體阻抗的有效介電常數是絕緣材料及其電路上方空氣的相對介電常數之和(等于1)。帶狀線的有效介電常數則為導體上下兩個基材的相對介電常數之和。

對于所有高頻電路,保持阻抗受控對于實現一致的振幅和相位響應電氣性能至關重要。兩種傳輸線的導體的阻抗除其它因素外,是導體寬度、導體厚度、絕緣基材的厚度,基材的相對電容率或介電常數的函數。對于帶狀線,中心導體與兩接地層之間的距離是否相等,或者導體上下方絕緣體的介電常數是否相同并不重要(微帶線亦是如此)。

帶狀線有兩個接地層,因此帶狀線的50Ω(或者任何給定阻抗)線比微帶線阻抗相同的導體細。較細的線固然支持較大的電路密度,但是較細的線也需要更嚴格的制造公差,并且整個電路的基材的介電常數要非常一致。微帶線的單端(不平衡式)傳輸線的介質損耗(由基材的耗散因子界定)比帶狀線少,這是因為微帶線的一些場線在空氣中,其耗散因子可忽略不計。

當然,這兩種傳輸線所具備的性能實際上只是與其制造所用載體——絕緣基材的性能幾乎相同。正如所采用的PCB材料,例如FR-4,能夠降低成本,但同時也會限制其性能,根據不同的微帶線和帶狀線應用選擇最適宜材料,會更好地發揮這兩種傳輸線的優點。

與許多工程決策一樣,會權衡考慮選擇微帶線還是帶狀線。例如,帶狀線電路的電路密度高,因而,在相同頻率條件下,比微帶線電路需要更多的材料層、更多加工時間和費用、并且更需要注意細節的處理。
相對于常見的微帶線和帶狀線,還有一種射頻傳輸線是接地共面波導,接地共面波導提供鄰近射頻線之間以及其它信號線之間較好的隔離。這種介質包括中間導體以及兩側和下方的接地區域如下圖:

建議在接地共面波導的兩側安裝過孔“柵欄”,如下圖所示。該頂視圖提供了在中間導體每側的頂部金屬接地區域安裝一排接地過孔的示例。頂層上引起的回路電流被短路至下方的接地層。

相比于微帶線,由于接地共面波導不僅在介質底面有接地面且在介質頂部信號傳輸線兩側也分布著接地面,因此其具有更大的接地面積。共面波導通過使用接地面包圍信號線的方式實現了電氣性能的穩定。

微帶線和接地共面波導電路的傳輸模式均為準橫電磁模(準-TEM)。由于接地共面波導電路增強的接地結構,一定程度上其機械加工也更加復雜。相比于微帶線,接地共面波導電路具有低色散特點,當頻率上升到毫米波波段時,接地共面波導電路比微帶線電路的輻射損耗也更低。

由于增強的接地結構,接地共面波導電路比微帶線電路具有更寬的有效帶寬和更大的阻抗范圍。然而,微帶線電路結構相對穩健,其簡單的底部接地面電路結構便于加工。此外,微帶線電路性能對電路加工因素不敏感,其電路性能受導體/間隙刻蝕差異和導體厚度差異的影響更小。

而射頻電路版圖那些尖銳的彎角是特意設計的傳輸線彎角補償

由于布線約束而要求傳輸線彎曲時(改變方向),使用的彎曲半徑應至少為中間導體寬度的3倍。也就是說:

彎曲半徑 ≥ 3 × (線寬).

這將彎角的特征阻抗變化降至最小。

如果不可能實現逐漸彎曲,可將傳輸線進行直角彎曲(非曲線),如下圖所示。然而,必須對此進行補償,以減小通過彎曲點時本地有效線寬增大引起的阻抗突變。

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