Главная > Ресурсы > Блоги > Полное руководство по компоновке радиочастотных схем: обеспечение стабильности и надежности

Полное руководство по компоновке радиочастотных схем: обеспечение стабильности и надежности

2024-08-15Репортер: SprintPCB

Проектирование печатных плат с радиочастотным преобразователем (РЧП) — критически важный и сложный аспект электронной инженерии, поскольку его характеристики напрямую влияют на работу всей системы. Высокочастотные характеристики РЧ-сигналов предъявляют строгие требования к топологии схемы. В этой статье будут подробно рассмотрены ключевые принципы топологии печатных плат с радиочастотным преобразователем (РЧП) , что поможет разработчикам оптимизировать свои разработки в реальных проектах и гарантировать ожидаемую производительность схемы.

1. Целостность сигнала: оптимизация трактов высокочастотного сигнала

В радиочастотных печатных платах целостность сигнала (SI) является одной из ключевых проблем. Из-за высокой частоты радиочастотных сигналов даже незначительные ошибки проектирования могут привести к отражению, потере или задержке сигнала, что в конечном итоге скажется на производительности схемы.

1.1 Проектирование короткого пути

При проектировании печатных плат с радиочастотными сигналами линии передачи радиочастотных сигналов должны быть максимально короткими. Это связано с тем, что более длинные пути увеличивают задержку передачи, а передача сигнала на большие расстояния может легко привести к отражению и потерям излучения. Короткий путь не только сокращает время передачи, но и минимизирует паразитные индуктивности и ёмкости, обусловленные длиной линии, тем самым улучшая целостность сигнала.

1.2 Согласование импеданса

Несоответствие импеданса в цепях ВЧ-печатных плат может привести к отражению сигнала, что влияет на его стабильность. Поэтому крайне важно обеспечить соответствие характеристического импеданса дорожки импедансу нагрузки в конструкции. Обычно это достигается регулировкой ширины дорожки, толщины диэлектрического материала и расстояния между дорожками. Точное согласование импеданса может минимизировать отражение, делая передачу сигнала более стабильной.

1.3 Углы трассировки

При разводке радиочастотных сигналов на печатной плате следует избегать поворотов под прямым углом, поскольку они приводят к отражению сигнала и увеличению потерь при передаче. Вместо этого рекомендуется использовать изгибы под углом 45 градусов или более плавные, которые уменьшают отражение сигнала в углах и снижают потери на высоких частотах.

2. Целостность электропитания: проектирование стабильного источника питания

Целостность питания (PI) так же важна, как и целостность сигнала в цепях на печатных платах. Стабильное питание влияет не только на общую стабильность схемы, но и напрямую влияет на качество радиочастотного сигнала.

2.1 Выбор и размещение развязывающего конденсатора

В печатных платах радиочастотных схем развязывающие конденсаторы следует размещать вблизи каждого критического узла источника питания. Эти конденсаторы отфильтровывают высокочастотные помехи от источника питания, обеспечивая чистоту сигнала питания. При проектировании развязывающие конденсаторы следует размещать как можно ближе к выводам питания, чтобы минимизировать влияние паразитной индуктивности.

2.2 Конструкция силовой и заземляющей плоскости

Для обеспечения стабильности питания в конструкции ВЧ-печатной платы плоскость питания и плоскость заземления должны быть тесно связаны, что снижает паразитную индуктивность источника питания и минимизирует влияние помех питания на сигналы. Плотно связанные плоскости питания и заземления также образуют низкоомный путь питания, обеспечивая стабильность питания при высокоскоростной работе.

2.3 Проектирование распределительной сети электроснабжения (PDN)

Схема распределения питания (PDN) — критически важный элемент конструкции печатной платы радиочастотного тракта, отвечающий за распределение питания от силового модуля по всем компонентам схемы. При проектировании PDN необходимо учитывать распределение питания, размещение развязывающих конденсаторов и связь между слоями питания и заземления для обеспечения целостности и стабильности сигнала. ВЧ-цепь

3. Проектирование заземляющей плоскости: оптимизация путей возврата сигнала

Заземляющий слой в печатных платах радиочастотных цепей не только обеспечивает путь обратного тока, но и служит экраном и изолирует электромагнитные помехи. Правильно спроектированный заземляющий слой может эффективно повысить помехоустойчивость схемы.

3.1 Поддержание целостности заземляющей плоскости

Разработчикам следует избегать разделения заземляющего слоя при проектировании ВЧ-печатных плат, поскольку это нарушает путь обратного сигнала, приводя к его увеличению, что может привести к отражению сигнала и появлению помех. Поэтому поддержание непрерывности и целостности заземляющего слоя имеет решающее значение, особенно в областях с высокой плотностью сигналов, где заземляющий слой не должен пересекаться переходными отверстиями или другими проводниками.

3.2 Проектирование многослойной печатной платы

В высокоплотных печатных платах с высокой плотностью размещения компонентов использование многослойных печатных плат позволяет эффективно разделить сигнальные слои и слои заземления, уменьшая перекрестные помехи и электромагнитные помехи. В таких конструкциях слои питания и заземления обычно располагаются на соседних слоях для обеспечения хорошей связи, что дополнительно снижает электромагнитные помехи.

3.3 Связь между сигнальным слоем и слоем заземления

Тесная связь между сигнальным и заземляющим слоями в конструкции печатной платы радиочастотного тракта может снизить влияние паразитной индуктивности и ёмкости на сигналы, сократить путь обратного сигнала и обеспечить его стабильность. Поэтому при проектировании расстояние между сигнальным и заземляющим слоями должно быть максимально близким для повышения надёжности передачи сигнала.

4. Электромагнитные помехи и совместимость (ЭМП/ЭМС): контроль электромагнитной обстановки

Схемы на печатных платах с высокой частотой, работающие в высокочастотных средах, подвержены воздействию электромагнитных помех (ЭМП) и могут быть источниками электромагнитного шума. Грамотное проектирование с учётом ЭМП/ЭМС может снизить электромагнитные помехи и обеспечить корректную работу схемы.

4.1 Меры экранирования

В радиочастотных печатных платах экранирование является одним из наиболее эффективных способов предотвращения электромагнитных помех. Использование металлических экранов в схеме или добавление экранирующих слоёв в конструкцию печатной платы позволяет изолировать электромагнитные помехи между схемой и внешней средой. Кроме того, для повышения помехоустойчивости в чувствительных зонах можно добавить экранирующие линии.

4.2 Применение фильтров

При проектировании печатных плат радиочастотного диапазона часто требуются фильтры в ключевых узлах, особенно на входах питания или в чувствительных сигнальных трактах. Фильтры могут эффективно подавлять высокочастотные шумы, предотвращая их распространение по схеме и тем самым улучшая её электромагнитную совместимость.

4.3 Избежание шумовой связи

При проектировании печатных плат радиочастотного тракта линии передачи сигналов с высоким уровнем шума не должны проходить параллельно или пересекаться с чувствительными линиями передачи сигналов. Рациональная компоновка позволяет снизить взаимосвязь между областями с высоким уровнем шума и чувствительными областями, предотвращая влияние электромагнитных помех на сигналы.

5. Проектирование трасс и интервалов: оптимизация путей передачи сигнала

Конструкция сигнальных дорожек в печатных платах радиочастотных цепей напрямую влияет на качество передачи сигнала. Рациональная конструкция дорожек может снизить потери сигнала и помехи, обеспечивая стабильность работы схемы.

5.1 Ширина следа

Ширина дорожки в конструкции печатной платы с радиочастотным преобразователем должна определяться в зависимости от частоты сигнала и диэлектрической проницаемости материала печатной платы. Как правило, чем выше частота сигнала, тем шире должна быть дорожка для снижения потерь при передаче. При изменении ширины дорожки следует также учитывать согласование импеданса, чтобы избежать разрывов импеданса, вызванных изменением ширины, что приводит к отражению сигнала.

5.2 Расстояние между дорожками

При проектировании высокочастотных печатных плат с ВЧ-сигналами расстояние между различными сигнальными линиями должно быть достаточно большим для снижения перекрестных помех. Особенно при высокоскоростной передаче сигналов, эффект связи между сигнальными линиями может ухудшить качество сигнала, поэтому расстояние между линиями следует максимально увеличить или использовать экранирующие дорожки для снижения перекрестных помех.

5.3 Дифференциальные сигнальные трассы

Для некоторых высокочастотных сигналов на печатных платах с радиочастотным сигналом, таких как высокоскоростные последовательные линии передачи данных, может использоваться дифференциальная передача сигнала. Дифференциальные сигналы обладают высокой устойчивостью к внешним помехам и могут также снижать излучение сигналов в окружающую среду. При проектировании печатных плат с радиочастотным сигналом длина дорожек дифференциального сигнала должна быть одинаковой, чтобы избежать разницы в задержках передачи сигнала.

6. Распространенные ошибки компоновки и методы их избежания

При проектировании печатных плат радиочастотных устройств некоторые распространённые ошибки компоновки могут привести к снижению производительности схемы. Ниже приведены некоторые распространённые проблемы и способы их предотвращения:

6.1 Игнорирование целостности заземляющей плоскости

Некоторые проектировщики не уделяют должного внимания целостности заземляющего слоя при разводке, что приводит к прерываниям пути сигнала. Обеспечьте непрерывность заземляющего слоя и сведите к минимуму количество разрезов. Неполный заземляющий слой может привести к увеличению количества обратных путей сигнала, вызывая нежелательные электромагнитные помехи.

6.2 Не учитывать обратный путь сигнала

Если обратный путь сигнала в конструкции ВЧ-печатной платы спроектирован ненадлежащим образом, это может привести к возникновению нежелательных электромагнитных помех. Тщательно спланируйте обратный путь, чтобы он был максимально коротким и прямым. Неправильно спланированные обратные пути увеличивают паразитную индуктивность, что влияет на стабильность сигнала.

6.3 Чрезмерное использование переходных отверстий

При проектировании СВЧ-печатных плат следует минимизировать использование переходных отверстий. Каждое переходное отверстие увеличивает паразитную индуктивность и ёмкость сигнала, что влияет на качество его передачи. Слишком большое количество переходных отверстий может значительно ухудшить качество сигнала, особенно в высокочастотных трактах передачи сигнала. Разработка топологии СВЧ-схем печатных плат — сложный и очень ответственный процесс. Следуя вышеперечисленным принципам топологии СВЧ-плат, разработчики могут эффективно снизить электромагнитные помехи, обеспечить целостность передачи сигнала и стабильность питания, тем самым повышая производительность всей схемы СВЧ-платы. В практических проектах разработчикам следует постоянно оптимизировать топологию в соответствии с конкретными сценариями применения для достижения наилучших результатов проектирования СВЧ-плат. Партнёрство со SprintPCB гарантирует профессиональное применение этих принципов проектирования, предоставляя вам высококачественные решения для СВЧ-печатных плат, отвечающие строгим требованиям современной электроники.