Diretrizes de Design para Layout e Fabricação de PCB de RF

PCBs de RF funcionam com base em algumas regras fundamentais que envolvem conhecimento prévio de circuitos de design digital e analógico. Uma comparação direta com analógico e digital não é diretamente possível porque aqui a faixa de frequência está na casa dos GHz. A faixa de frequência torna a PCB tão diferente e temos que observar quase tudo:

• Incompatibilidades de impedância
• Comprimentos das trilhas
• Aterramento
• Blindagem

Se não for feito, pode causar a falha total do sistema. Ou, se projetado sem considerar todos os requisitos, levará à degradação do desempenho, perda de sinal, EMI (interferência eletromagnética) e aumento do consumo de energia. Veremos que tipo de materiais podem ser usados, como as trilhas são roteadas em PCBs de RF de micro-ondas e, mais importante, as regras para integridade de sinal e impedância. Um layout cuidadoso é necessário para evitar a degradação do sinal e a diafonia entre seções. Antes de iniciar um layout de RF, considere os seguintes parâmetros:

7 Considerações Chave para Layout de PCB de RF

1. Seleção de Material

PCBs de RF agora exigem um substrato estável. O que você quer dizer com estável? Significa apenas uma constante dielétrica estável (Dk) e menor tangente de perda (Df). Materiais comuns usados em RF são Rogers RO4000, RO3000, laminados Taconic RF e PTFE. Uma constante dielétrica mais baixa significa que haverá um pequeno atraso de propagação. Por outro lado, tangentes de perda mais baixas minimizam a perda de energia.

2. Impedância Controlada

Para a trilha, podemos usar estruturas microstrip, stripline ou guia de onda coplanar, que serão discutidas abaixo. Além disso, temos que manter a largura da trilha e a altura do plano de terra de referência consistentes. Ao fazer isso, a impedância característica (tipicamente 50Ω ou 75Ω) pode ser definida. Se a linha não corresponder à rede, haverá reflexões e perdas. Para mais, podemos usar trilhas com cantos curvos em vez de curvas acentuadas de 90°. Após projetar o circuito e a PCB, a simulação é muito importante. Existem muitas ferramentas online, como calculadoras de impedância e ferramentas de simulação, para determinar as dimensões apropriadas da trilha e o funcionamento. Veja nosso artigo detalhado sobre controle de impedância.

3. Design e Roteamento de Trilhas

Devido à alta frequência, precisamos de parasitas mínimos e, para isso, mantenha as trilhas de RF tão curtas e diretas quanto possível. Evite cantos vivos e use curvas de 45° ou trilhas curvas para evitar descontinuidades de impedância. Evite transições de via em caminhos de RF, use vias de perfuração traseira ou cegas. Evite passar trilhas de RF e não RF em paralelo para prevenir acoplamento. Coloque pontos de teste fora das trilhas para preservar a continuidade da impedância. Mantenha as seções digitais e de RF isoladas; mantenha pelo menos 20 mm de separação, caso contrário, temos regras de 20H, H é a distância de L1 a L2 da PCB, pode ser prepreg entre eles se uma PCB de 4 camadas for considerada.

4. Usando Linhas de Transmissão de RF

1. Microstrip: Uma trilha de sinal roteada em uma camada externa com um plano de terra sólido diretamente abaixo.

2. Stripline: Trilhas de sinal roteadas em camadas internas com planos de terra acima e abaixo para desempenho balanceado.

3. Guia de Onda Coplanar (Aterrado): Um condutor central flanqueado por trilhas de terra com cercas de vias para excelente isolamento.

5. Aterramento e Caminhos de Retorno

Uma estratégia de aterramento sólida é essencial para prevenir ruídos e EMI. Use um plano de terra contínuo diretamente abaixo das trilhas de RF. Evite interrupções no plano de terra que quebrem os caminhos de retorno. O procedimento usual é rotear a RF na camada superior e o terra logo abaixo dela. Embora vias não sejam recomendadas, onde o espalhamento do sinal é maior, podemos costurar a PCB com vias que ajudam a reduzir a capacitância parasita. Garanta que os terras digitais estejam separados dos terras de RF para reduzir o acoplamento de ruído. Eles devem se unir apenas em um ponto no circuito com algumas considerações especiais.

6. Desacoplamento da Fonte de Alimentação

Energia limpa é crucial para circuitos de RF. Use múltiplos capacitores com valores variados para filtrar uma ampla faixa de frequência. Colocar capacitores de desacoplamento próximos aos pinos de alimentação dos CIs de RF sempre ajuda a reduzir o ruído. Roteie as trilhas de alimentação separadamente e isole-as com filtros, se necessário. Você pode ver um PMIC utilizando todos esses fora do chip.

7. Blindagem e Isolamento

EMI pode degradar o desempenho de RF se não for gerenciada adequadamente. Use latas de blindagem aterradas para isolar seções de RF. Separe as seções de RF, digital e analógica na PCB. Implemente trilhas de guarda (aterradas) ao redor de trilhas de RF sensíveis para reduzir o acoplamento. Minimize a diafonia espaçando as trilhas apropriadamente.

Conclusão:

O design de PCB de RF começa com a seleção cuidadosa do substrato, como fazemos no passo 1. Em seguida, o planejamento da pilha de camadas e o roteamento de impedância controlada são feitos. Circuitos de RF são mais suscetíveis a perdas induzidas pelo layout por causa da diafonia e dos efeitos parasitas do material. Seguir as diretrizes fornecidas ajuda você a construir placas de RF que são capazes de lidar com altas frequências com perda e interferência mínimas. À medida que as frequências aumentam para faixas de GHz, não podemos simplesmente pular a simulação e os testes.