高频PCB设计概要之一

随着物联网技术的兴起,现在的电子产品搭载无线通讯功能是越来越普遍了,而无线通讯技术是依赖于PCB上的射频电路来实现的,遗憾的是,即使是最🐂🍺的PCB设计人员,对于射频电路也往往望而却步,因为它会带来巨大的设计挑战,并且需要专业的设计和仿真分析工具。正因为如此,多年来,PCB 的射频部分一直是由拥有射频设计专长的独立设计人员来完成设计。

射频电路设计工程师搬出了十八般武艺,一顿猛如虎的操作之后,设计出了下边的射频电路版图,并导出DXF格式给PCB Layout照抄就好了,岂不是爽歪歪 🙃

PCB设计攻城狮导入射频电路DXF格式文件之后,发现走线既有直角又有尖锐的拐角,心里想,emmm,这射频可真水,工资还比劳资高,避免尖锐倒角圆弧过渡都不懂,然后对射频电路部分重新优化了走线

结果…

为了避免日后产生误会,射频菌下班后把layout菌喊了过来,关上门手把手指导了一些射频PCB设计的相关要点。

根据射频电路理论,当信号连接线上所传输的信号的波长可与分立的电路元件的几何尺寸相比拟时,射频IC引脚的焊盘、射频信号在PCB上的传输线、射频无源器件、过孔甚至是接地的铺铜都是严重影响射频信号性能的重要因素。

微带线是在PCB上传输高频信号的理想选择,除非IC与天线的连接距离非常短,否则请使用特性阻抗匹配的同轴电缆或传输线。在印刷电路板上,最好采用如下图所示结构的微带线传输线。

微带线传输线包括固定宽度金属走线(导体)以及(相邻层)正下方的接地区域。例如,第1层(顶部金属)上的走线要求在第2层上有实心接地区域。走线的宽度、电介质层的厚度以及电介质的类型决定特征阻抗(通常为50Ω或75Ω)。

当然,除了微带线,还有一种常见的传输线就是带状线,如下图所示

带状线包括内层固定宽度的走线,和其上方和下方的接地区域。导体可位于接地区域中间或具有一定偏移。这种方法适合内层的射频走线。

既然带状线也适合射频走线,那老wu为啥说微带线是在PCB上传输高频信号的理想选择呢?

无论是微带线或是带状线,两者传输毫米波频率的性能都是优秀的,区别在于制造成本

与带状线电路相比,微带线电路加工步骤少,且电路元件更易于放置,因而更易于制造(制造成本更低)。而比之微带线,带状线能够为相邻的电路线提供更多隔离,支持更密集的元器件布局。此外,带状线电路还非常适合制造多层电路板,各层能够良好隔离。

微带线与带状线导体的电气性能均受绝缘材料介电常数,以及接地层邻近效应的影响。微带线只有一个接地层,而带状线有两个接地层。对于微带线,影响导体阻抗的有效介电常数是绝缘材料及其电路上方空气的相对介电常数之和(等于1)。带状线的有效介电常数则为导体上下两个基材的相对介电常数之和。

对于所有高频电路,保持阻抗受控对于实现一致的振幅和相位响应电气性能至关重要。两种传输线的导体的阻抗除其它因素外,是导体宽度、导体厚度、绝缘基材的厚度,基材的相对电容率或介电常数的函数。对于带状线,中心导体与两接地层之间的距离是否相等,或者导体上下方绝缘体的介电常数是否相同并不重要(微带线亦是如此)。

带状线有两个接地层,因此带状线的50Ω(或者任何给定阻抗)线比微带线阻抗相同的导体细。较细的线固然支持较大的电路密度,但是较细的线也需要更严格的制造公差,并且整个电路的基材的介电常数要非常一致。微带线的单端(不平衡式)传输线的介质损耗(由基材的耗散因子界定)比带状线少,这是因为微带线的一些场线在空气中,其耗散因子可忽略不计。

当然,这两种传输线所具备的性能实际上只是与其制造所用载体——绝缘基材的性能几乎相同。正如所采用的PCB材料,例如FR-4,能够降低成本,但同时也会限制其性能,根据不同的微带线和带状线应用选择最适宜材料,会更好地发挥这两种传输线的优点。

与许多工程决策一样,会权衡考虑选择微带线还是带状线。例如,带状线电路的电路密度高,因而,在相同频率条件下,比微带线电路需要更多的材料层、更多加工时间和费用、并且更需要注意细节的处理。

相对于常见的微带线和带状线,还有一种射频传输线是接地共面波导,接地共面波导提供邻近射频线之间以及其它信号线之间较好的隔离。这种介质包括中间导体以及两侧和下方的接地区域如下图:

建议在接地共面波导的两侧安装过孔“栅栏”,如下图所示。该顶视图提供了在中间导体每侧的顶部金属接地区域安装一排接地过孔的示例。顶层上引起的回路电流被短路至下方的接地层。

相比于微带线,由于接地共面波导不仅在介质底面有接地面且在介质顶部信号传输线两侧也分布着接地面,因此其具有更大的接地面积。共面波导通过使用接地面包围信号线的方式实现了电气性能的稳定。

微带线和接地共面波导电路的传输模式均为准横电磁模(准-TEM)。由于接地共面波导电路增强的接地结构,一定程度上其机械加工也更加复杂。相比于微带线,接地共面波导电路具有低色散特点,当频率上升到毫米波波段时,接地共面波导电路比微带线电路的辐射损耗也更低。

由于增强的接地结构,接地共面波导电路比微带线电路具有更宽的有效带宽和更大的阻抗范围。然而,微带线电路结构相对稳健,其简单的底部接地面电路结构便于加工。此外,微带线电路性能对电路加工因素不敏感,其电路性能受导体/间隙刻蚀差异和导体厚度差异的影响更小。

而射频电路版图那些尖锐的弯角是特意设计的传输线弯角补偿

由于布线约束而要求传输线弯曲时(改变方向),使用的弯曲半径应至少为中间导体宽度的3倍。也就是说:

弯曲半径 ≥ 3 × (线宽).

这将弯角的特征阻抗变化降至最小。

如果不可能实现逐渐弯曲,可将传输线进行直角弯曲(非曲线),如下图所示。然而,必须对此进行补偿,以减小通过弯曲点时本地有效线宽增大引起的阻抗突变。

文章写得好 赏颗六味地黄丸补补

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5 条评论

  • colorsky

    2020年2月14日

    建议在接地共面波导的两侧安装过孔“栅栏”,如下图所示。

    这个图没有呢

    • 吴川斌

      2020年2月16日

      图来了

  • 新型病毒前的正能量

    2020年1月28日

    这才是对抗新型病毒的正能量

    • xfire

      2020年1月28日

      谢谢支持 😘

  • 正能量

    2020年1月28日

    这才是正能量

神评一下


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