Un circuito stampato RF è un tipo di dispositivo elettronico che utilizza onde a radiofrequenza (RF) per ricevere o trasferire dati. È costituito da due componenti principali: un ricetrasmettitore RF e un'antenna. Nei paragrafi che seguono verranno illustrati i diversi tipi di PCB RF, i parametri per la scelta di un materiale appropriato per il PCB RF, le modalità di scelta e la progettazione del PCB RF.
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Che cos'è il PCB RF?
Una RF circuito stampato è quello che funziona a frequenze superiori a 100 MHz. Le loro dimensioni sono attentamente stimate e impiegate nella progettazione del circuito in base alla frequenza RF a cui è destinato.
Il sistema RF è necessario per la progettazione di circuiti RF, che devono essere stampati su circuiti stampati utilizzando solo linee di trasmissione passive come filtri RF, splitter/combinatori RF, accoppiatori RF e attenuatori; oppure utilizzando elementi di circuito attivi che prevedono l'uso di transistor RF o circuiti integrati RF in combinazione con linee di trasmissione passive. Per progettare un sistema RF sono necessari sia circuiti attivi che passivi.
Diversi tipi di PCB RF
Innanzitutto, perché il numero minimo di strati per i PCB RF è due. I tipi più diffusi sono i PCB RF bifacciali e multistrato.
Il PCB a microonde sono i circuiti stampati più utilizzati con frequenze radio superiori a 2 GHz. Esistono anche PCB flessibili RFche combina i vantaggi dei PCB RF e flessibili. Allora, PCB ceramici RF hanno un'elevata conduttività termica e sono spesso utilizzati nei dispositivi Bluetooth, nei router e nelle comunicazioni satellitari a microonde.
Infine, come suggerisce il nome, PCB RF ibridi hanno componenti RF e non RF sulla stessa scheda. Possono essere utilizzati nei settori delle telecomunicazioni, IoT e aerospaziale.
Parametri da considerare nella scelta del materiale di substrato per PCB RF
I materiali utilizzati per il substrato del PCB e lo spessore dei fogli di substrato devono essere considerati con attenzione quando si progettano circuiti stampati per circuiti RF. Gli allineamenti dei segnali RF, noti anche come linee di trasmissione RF, non sono i tipici allineamenti di connettività. Quando si scelgono i materiali per il substrato dei circuiti stampati RF per un'applicazione di progettazione, si considerano spesso i seguenti parametri.
Costante dielettrica
È uno dei parametri più importanti per la selezione dei materiali per PCB. La costante dielettrica di un materiale misura la sua capacità di immagazzinare energia elettrica. È un'espressione della misura in cui un materiale trattiene o concentra il flusso elettrico.
Il suo valore determina la lunghezza della linea di trasmissione e influisce anche sulla larghezza della linea di trasmissione per un determinato valore di impedenza. La lunghezza d'onda di un segnale all'interno del mezzo dielettrico è data da
Dove
C = velocità della luce nel vuoto
f = frequenza del segnale
ɛr = costante dielettrica del materiale
Questa è la relazione più semplice sulla propagazione della lunghezza d'onda all'interno di un mezzo dielettrico. Come illustrato dall'equazione precedente, si può notare che un materiale con una costante dielettrica più elevata offre dimensioni elettriche inferiori e quindi un design miniaturizzato.
Tutte le linee di trasmissione e le guide d'onda seguono un comportamento simile, ma non esatto. Ogni linea di trasmissione ha una propria geometria e la relazione esatta dipende dalla sua geometria. La linea di trasmissione più comunemente utilizzata è la microstriscia, che ha un piano di massa su un solo lato e quindi è una linea di trasmissione quasi TEM. La lunghezza d'onda effettiva della linea di trasmissione a microstriscia è data dalle seguenti relazioni:
In generale, i materiali per substrati di PCB con costante dielettrica più elevata sono molto più adatti per progetti a bassa frequenza, in quanto tendono a ridurre la lunghezza fisica della linea di trasmissione, pur mantenendo la lunghezza elettrica (in termini di lunghezza d'onda o frazione).
Analogamente, la larghezza della traccia fisica della linea di trasmissione è influenzata anche dalla costante dielettrica del materiale del PCB per una determinata impedenza caratteristica. Una costante dielettrica più alta di un materiale PCB tende a concentrare il flusso elettrico per raggiungere un certo valore di impedenza caratteristica. Di conseguenza, la larghezza della linea di trasmissione tende a essere minore nei materiali con costante dielettrica più elevata.
Tangente di perdita
La tangente di perdita dielettrica, indicata anche come "tan(δ)", è una misura dell'attenuazione del segnale quando il segnale RF si propaga lungo la linea di trasmissione. Le schede tecniche dei materiali per circuiti stampati RF indicano comunemente questa perdita come fattore di dissipazione (Df). La tangente di perdita è il risultato dell'assorbimento del segnale a microonde da parte del materiale dielettrico e dipende dalla struttura del materiale e dalla composizione della vetroresina. Di solito è auspicabile un valore minimo di tangente di perdita, che garantisca che il segnale trasmesso arrivi a destinazione con perdite minime di potenza del segnale.
Attenuazione=2,3 x f x tan(δ) x √εr
Dove:
- f è la frequenza in GHz
- tan(δ) è la tangente di perdita adimensionale
- εr è la costante dielettrica relativa del materiale
Idealmente, la scelta migliore è quella di selezionare il materiale con la perdita più bassa. Tuttavia, una perdita minore comporta un maggiore compromesso in termini di costi.
La tabella seguente mostra alcuni dei materiali per PCB RF del catalogo ELE PCB che potete utilizzare per il vostro progetto. La costante dielettrica e la tangente di perdita sono riportate nella tabella a fisarmonica sottostante:
Tabella della costante dielettrica e della tangente di perdita dei materiali
| Materiale del substrato del PCB RF | Costante dielettrica | Tangente di perdita |
| FR-4 | 4.4 | 0.016 |
| Rogers RO4003 | 3.38 | 0.0027 |
| Rogers RO4350B | 3.48 | 0.0037 |
| Rogers RO3003 | 3 | 0.0013 |
| Rogers RO5880 | 2.2 | 0.0009 |
| RT/duroide 6035HTC | 3.5 | 0.0013 |
| RT/duroide 6006 | 6.15 | 0.0027 |
| RT/duroide 6010.2LM | 10.2 | 0.0023 |
| Nelco 4000-6 | 4.12 | 0.012 |
| Nelco 4000-13 EP | 3.7 | 0.009 |
| Nelco 4000-13 EP SI | 3.2 | 0.008 |
Spessore del substrato
Lo spessore del substrato influisce non solo sulla resistenza fisica del PCB, ma anche sulle dimensioni e sulle perdite delle linee di trasmissione RF. I substrati più spessi consentono di ottenere linee di trasmissione più ampie con perdite di conduttore inferiori, grazie all'effetto pelle e alla maggiore superficie. Questi fattori sono importanti per le applicazioni RF ad alta potenza.
Via Buchi
C'è anche un'altra faccia della medaglia. I fori di passaggio sono spesso utilizzati nei circuiti di linea di trasmissione per fornire una connessione di terra a un punto particolare del circuito. Per i circuiti ad alta frequenza, si osserva spesso che il foro passante potrebbe comportarsi in modo non ideale e fornire un valore di induttanza parassita al circuito, il che è altamente indesiderabile. Ciò è possibile quando si progettano circuiti ad alta frequenza utilizzando un substrato più spesso. I substrati più spessi tendono a fornire fori di passaggio più lunghi e quindi possono provocare un effetto induttivo. Per attenuare questo problema, spesso si consiglia di utilizzare più fori passanti in parallelo (in un ampio piano di massa) per ridurre al minimo l'induttanza di massa.
Larghezza della traccia e sua dipendenza dalla frequenza
La regola generale nella progettazione di circuiti RF è che le linee di trasmissione si comportano come un normale cavo di circuito (e non come una linea di trasmissione RF), quando le dimensioni del circuito sono inferiori a λ/10. Nelle linee di trasmissione RF, occorre notare che la larghezza della traccia RF e l'altezza del PCB devono sempre essere inferiori a λ/10, poiché il segnale RF può comportarsi in modo diverso. Pertanto, lo spessore del substrato deve essere scelto di conseguenza.
Rivestimento
Il rivestimento è lo strato di rame sul substrato dei PCB. Viene inciso per formare tracce o linee RF. Il rame è un buon conduttore. I PCB RF hanno un rivestimento su entrambi i lati. Lo spessore del rivestimento è di 17-70 µm. Influisce sulla simulazione e sulla progettazione. Le RF ad alta potenza necessitano di un rivestimento più spesso per ridurre le perdite. Un rivestimento più spesso non aiuta, poiché la corrente RF scorre sulla superficie a causa dell'effetto pelle.
Conduttività termica
La conduttività termica è la capacità di un determinato materiale di condurre o trasferire energia termica. La conducibilità termica del substrato del PCB RF è un parametro importante se il progetto è un'applicazione di potenza RF, come un amplificatore di potenza o un interruttore ad alta potenza, in cui il calore dissipato deve essere allontanato dai componenti del circuito. ELE PCB raccomanda ai progettisti di utilizzare substrati speciali per PCB RF come Rogers RT/Duroid 6035HTC o Rogers serie TC per le applicazioni che richiedono un'elevata conduttività termica.
Coefficiente di espansione termica
Il coefficiente di espansione termica del materiale PCB mostra come le dimensioni del PCB cambiano con la temperatura. È la variazione frazionaria delle dimensioni per ogni variazione di grado della temperatura a pressione costante. Coefficienti più bassi significano una minore variazione delle dimensioni. Per i circuiti RF, la variazione delle dimensioni (soprattutto in direzione Z) può influire sullo spessore del PCB e sull'impedenza della linea di trasmissione, causando disadattamento e scarse prestazioni.
I substrati per circuiti stampati della serie TMM di Rogers sono ottimi per progetti RF ad alta temperatura o ad alta potenza, in quanto sono stabili e affidabili. Il loro coefficiente di espansione termica è simile a quello del rame, il che aiuta a realizzare i fori di passaggio.
Confronto tra i 5 materiali utilizzati nei PCB RF
| I materiali | Costante dielettrica | Costo | Adatto per |
| FR-4 | 4.4 | efficace dal punto di vista dei costi | applicazioni RF a bassa frequenza |
| PTFE | 2.2-2.8 | più costoso del materiale FR-4 | tutte le applicazioni RF ad alta frequenza |
| Laminato Rogers | Tipico 2-10 | più espansivo dell'FR-4 | Applicazioni PCB RF e microonde |
| Materiali a base ceramica | Allumina: 3-9, AN: 9-10,4 | costo elevato | Applicazione RF |
| Polimero a cristalli liquidi (LCP) | 2.9-3.1 | più costoso di FR-4 o PTFE | applicazioni RF ad alta frequenza |
# Il PTFE è uno dei materiali più utilizzati nella progettazione di PCB RF e lo consigliamo vivamente.
Fasi di progettazione del PCB RF
Fase 1: Raccogliere regole e requisiti di progettazione - In primo luogo, è necessario conoscere la gamma di frequenze, il costo, le specifiche di rumore, la larghezza di banda, i livelli di potenza, le dimensioni della scheda e qualsiasi altro requisito tecnico.
Fase 2: Creare il layout di una PCB RF – Progettazione del layout del PCB è fondamentale da considerare fin dalle prime fasi, perché l'impedenza si riferisce alla quantità e alla velocità con cui l'elettricità può muoversi lungo una traccia. Lo stackup influisce sul modo in cui l'ingegnere meccanico progetta e inserisce il PCB nel dispositivo.
Fase 3: Progettazione di stackup di PCB RF - I tre punti più significativi nella progettazione di PCB RF sono l'isolamento, il disaccoppiamento e la disposizione degli strati (almeno 4 strati di PCB con piani di alimentazione e di terra interni).
Passo 4: Componenti del luogo - È necessario considerare la gamma di frequenze, il guadagno, la figura di rumore, i livelli di potenza e la resistenza alla temperatura di ciascun componente. Indica che alcuni componenti specifici non possono essere messi vicino ad altri se causano disturbi elettrici nel circuito.
Separate le parti analogiche e digitali e lasciate spazio per il cablaggio e i sintonizzatori intorno ai dispositivi. Mantenete accessibili le porte di ingresso e uscita RF e raggruppate i dispositivi che interagiscono di frequente.
Passo 5: Impedenza di abbinamento - Per realizzare l'adattamento di impedenza si possono utilizzare le seguenti tecniche:
1. Tecnica di adattamento dell'impedenza del trasformatore: l'adattamento dell'impedenza si ottiene selezionando un trasformatore adatto.
2. Tecnica di adattamento dell'impedenza con attenuatori: Collegando un certo numero di resistenze o attenuatori in serie nel circuito, si modifica la dimensione dell'impedenza del circuito.
3. Tecnologia di adattamento dell'impedenza del filtro: modificando i parametri del filtro per cambiare le dimensioni dell'impedenza del circuito, si ottiene l'adattamento dell'impedenza delle porte di ingresso e di uscita.
Passo 6: Terra - Per il piano di massa, utilizzare riempimenti di rame continui e tenerlo vicino ai segnali e alle tracce RF.
Passo 7: Simulare e verificare - Verificare l'impedenza, le perdite e la risposta in frequenza. Quindi, testarne il funzionamento in diverse condizioni.
Passo 8: Aggiungere etichette e identificatori - Infine, creare le etichette, gli ID, i marcatori o i designatori di riferimento per il layout.
Conclusione
Scelta di un RF adeguato PCB richiede la considerazione di parametri e prestazioni, la selezione dei materiali, i problemi di progettazione e produzione e altre variabili.
Se state cercando di creare PCB a microonde o RF e avete domande sulla produzione o avete bisogno di un prezzo, il vostro miglior produttore di PCB RF in Cina, ELE, è in grado di assistervi con oltre 10 anni di esperienza ingegneristica.
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