7 yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế PCB RF

0
683

Điều làm cho nó trở nên khác biệt là các thông số như kết hợp trở kháng, loại trace (tốt nhất là cấu trúc coplanar), loại bỏ qua stub trace/stub via (để tránh phản xạ), mặt phẳng đất, vias và tách nguồn cung cấp. Các khía cạnh khác như stack-up và lựa chọn vật liệu cũng đóng vai trò quan trọng trong các bảng mạch này.

Source: Upverter Blog

Coplanar Design, source: https://resources.altium.com/

Với tất cả các yếu tố này, độ phức tạp của quá trình thiết kế RF sẽ tăng lên do các yếu tố như nhiễu EMI, kênh tín hiệu tần số cao, v.v. Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về tất cả những điều này. Để bắt đầu, chúng ta hãy xem xét kết hợp trở kháng. 

Kết hợp trở kháng

Trong mạch RF trở kháng được kiểm soát, sự truyền nguồn tối đa mà không bị biến dạng xảy ra từ nguồn sang tải, khi trở kháng không đổi trong suốt chiều dài của trace. Trở kháng này được gọi là trở kháng đặc trưng của trace (Z0). Trở kháng đặc trưng phụ thuộc vào dạng hình học của các trace, chẳng hạn như chiều rộng trace, hằng số điện môi của vật liệu PCB , độ dày trace và chiều cao từ mặt phẳng tham chiếu (reference plane). Để hòa hợp với các trở kháng này, các mạch matching cũng được thiết kế.

Vật liệu cho bảng mạch tần số vô tuyến

RF PCB được sản xuất bằng các vật liệu nhất định đáp ứng các yêu cầu hoạt động tần số cao. Những vật liệu này phải có tổn hao tín hiệu thấp, ổn định khi hoạt động ở tần số cao và phải có khả năng hấp thụ lượng nhiệt cao. Các giá trị hằng số điện môi (DK ), hệ số tiếp tuyến mất mát (tan δ) và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) cũng yêu cầu tính nhất quán trên các dải tần số rộng. Các giá trị điển hình của hằng số điện môi nằm trong khoảng từ 3 đến 3,5 đối với các bảng mạch này. Giá trị hệ số tiếp tuyến suy hao nằm trong khoảng 0,0022 đến 0,0095 cho dải tần 10-30GHz .

Ngoài tất cả những nhu cầu thiết yếu cụ thể này, chi phí vật liệu và tính dễ sản xuất cũng được xem xét. 

Vật liệu được làm bằng Polytetrafluoroethylene (PTFE), gốm sứ và hydrocacbon trộn với nhau hoặc với một dạng thủy tinh thường được sử dụng. Vật liệu Rogers là một lựa chọn phổ biến cho bảng mạch RF. Có nhiều biến thể khác nhau của vật liệu Rogers. Một vài trong số chúng được liệt kê dưới đây:

  • RT/duroid
  • RO3000
  • RO4000
  • Rogers TMM

Stack-up PCB RF

Stack-up bảng mạch tần số vô tuyến đòi hỏi phải chú ý đến các chi tiết như cách ly giữa các trace và các linh kiện, power supply decoupling, số lớp và cách sắp xếp, vị trí đặt của các linh kiện , v.v. Stack-up 4 lớp RF tiêu chuẩn được thể hiện trong hình bên dưới.

4-lớp-rf-pcb-stack-up.jpg Stack-up PCB 4 lớp RF

Các linh kiện và trace tần số vô tuyến được đặt trên lớp trên cùng. Lớp này ngay sau đó là mặt phẳng đất và mặt phẳng nguồn. Tất cả các thành phần và trace không phải RF đều được điền ở lớp dưới cùng. Sự sắp xếp này cung cấp nhiễu tối thiểu giữa các thành phần RF và không phải RF. Plane GND ngay lập tức cung cấp một đường dẫn tối thiểu cho dòng điện trở lại (return current) thông qua plane GND. Vì vậy đây là một stack-up phù hợp với một bảng mạch tần số vô tuyến nhỏ (small radio-frequency).

Thiết kế trace RF

Các trace RF truyền tín hiệu tần số cao và do đó có thể bị suy hao đường truyền và các vấn đề về nhiễu. Trở kháng đặc trưng của những trace này là mối quan tâm chính của các nhà thiết kế. Trong bảng mạch tần số vô tuyến, các trace được coi là đường truyền (transmission line). Các loại đường truyền phổ biến nhất được thiết kế là ống dẫn sóng đồng phẳng coplanar waveguide (CPWG), microstrip và stripline. Dưới đây là các khía cạnh thiết kế trace tần số vô tuyến xác định hoạt động thích hợp và tổn thất tối thiểu:

  • Chiều dài của trace phải càng ngắn càng tốt. Điều này giúp giảm sự suy giảm tín hiệu.
  • Trong cách layout, không bao giờ đặt một trace RF và một trace bình thường song song với nhau. Nếu đặt như vậy thì giữa hai trace sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa/gây nhiễu.
  • Các plane GND được yêu cầu để cung cấp các đường trở lại cho các tín hiệu.
  • Các điểm kiểm tra test point không được khuyến khích đặt trên trace. Nó sẽ làm gián đoạn các giá trị hòa hợp trở kháng (impedance matching) của trace.
  • Thay vì giữ những khúc cua gấp 90 độ, góc sắc nét, những khúc cua cong sẽ tốt hơn cho trace.

rf-design-with-cong-bends.jpg

So sánh khúc cua gấp 90 độ và khúc cua cong

Trong trường hợp không thể tránh khỏi các khúc cua gấp 90 độ, một quy trình gọi là metering được sử dụng để giảm các tác động xấu. Việc metering một trace được mô tả như bên dưới:

metering-of-an-rf-trace.jpg

Metering cho một trace RF

Ở đây, M được cho bởi công thức sau:

công thức-để-tìm-đo sáng-kích thước-rf-board.jpg

Công thức tìm kích thước đo sáng trong thiết kế PCB RF

Thiết kế ground plane

Bất kỳ trace hoặc thành phần tần số vô tuyến nào đều yêu cầu một đường trở lại return path cho dòng điện truyền qua nó. Một plane GND sẽ lo việc này. Tuy nhiên, các plane GND cần một số cân nhắc thiết kế bổ sung. Hãy để chúng tôi xem xét những điều này.

  • Một plane GND chuyên dụng phải có cho mỗi lớp RF. Mặt phẳng đất này được đặt ngay bên dưới lớp để làm cho đường dẫn dòng điện trở lại là ngắn nhất.

mong muốn-mặt đất-máy bay-vị trí.jpg

Vị trí plane GND mong muốn trong RF PCB

  • Plane GND phải liên tục. Không được phép bị chia cắt, phá vỡ. Những khoảng chia cắt như vậy có thể làm cho con đường của dòng điện quay trở lại dài hơn.
  • Đối với mỗi thành phần shunt được đặt trong đường truyền RF, cần có tối thiểu hai vias nối đất.

Thiết kế via

Vias trong trace RF nên được tránh càng xa càng tốt. Tuy nhiên, nếu không thể tránh được những điều này, thì phải tuân theo các thông số đường kính và chiều dài cụ thể. Một via sẽ gây ra điện dung ký sinh trong một bảng mạch. Trong trường hợp bảng mạch tần số vô tuyến, điện dung này ảnh hưởng đến hoạt động ở tần số cao. Do đó, để giảm nhiễu ở các tần số này, điều quan trọng là phải thiết kế via và ghi nhớ các nguyên tắc sau:

  • Để giảm điện dung ký sinh, hãy sử dụng thêm các via song song.
  • Đối với mỗi chân hoặc pad của một linh kiện, phải có một via chuyên dụng.
  • Sử dụng via stiching cho plane GND bất cứ nơi nào có thể. Điều này thiết lập một đường trở lại plane GND ngắn hơn cho dòng điện.
  • Giảm định tuyến các trace RF từ lớp này sang lớp khác thông qua via.
  • Sử dụng số lượng via tối đa giữa GND lớp TOP và các plane GND các lớp bên trong theo thiết kế cho phép. Các via này nên được đặt ở khoảng cách không quá 1/5 bước sóng tín hiệu.

Power supply decoupling

Giảm nhiễu là cực kỳ quan trọng khi nói đến bảng mạch tần số vô tuyến. Ở tần số hoạt động cao, các bo mạch này trở nên rất nhạy cảm với tác động của nhiễu. Do đó, tất cả các phương pháp có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu. Một trong những phương pháp như vậy được gọi là tách nguồn cung cấp điện- Power supply decoupling.

Lựa chọn tụ điện decoupling

Nhiễu được đưa vào mạch thông qua nguồn điện được lọc bằng quy trình này. Các tụ điện được chỉ định cho điều này được gọi là tụ điện decoupling. Các tụ điện này được kết nối qua nguồn.

Kết hợp/hòa hợp trở kháng là một yêu cầu không thể thiếu của mọi bảng mạch RF. Do đó sau khi kết nối các tụ điện decoupling, trở kháng của toàn mạch không được thay đổi. Hãy tuân thủ những lưu ý về thiết kế sau đây để tránh thay đổi trở kháng:

  1. Luôn kết nối các tụ điện có trở kháng tối thiểu cho decoupling.
  2. Vận hành các tụ điện ở tần số tự cộng hưởng (SRF) để mang lại trở kháng tối thiểu. Giá trị SRF của tụ điện tỷ lệ nghịch với giá trị điện dung của nó.
  3. Chọn tụ điện có SRF gần với tần số nhiễu.

Vị trí của tụ decoupling

Vị trí của các tụ điện decoupling cũng là một phần quan trọng để thiết kế RF đúng. Dưới đây là một mạch đơn giản minh họa hai tụ điện decoupling được đặt song song với một linh kiện IC. 

power-supply-decoupling-of-an-rf-component.jpg Decoupling nguồn cung cấp của một linh kiện RF

Tụ điện cao hơn – higher capacitor có nghĩa là để lọc nhiễu tần số thấp trong hệ thống và lưu trữ năng lượng. Nhiễu tần số cao được lọc ra bởi tụ điện thấp hơn – lower capacitor. Các nguyên tắc liên quan đến vị trí là:

power-supply-decoupling-domains.jpg

Hướng dẫn decoupling nguồn cung cấp cho các thiết kế PCB RF

  • Các tụ điện decoupling phải được đặt trên cùng một lớp với các linh kiện IC…
  • Đặt các tụ điện song song với đường dẫn dòng tín hiệu.
  • Giữ vias nối đất riêng cho mỗi tụ điện.
  • Các tụ điện phải được đặt theo thứ tự tăng dần điện dung của chúng từ nguồn cung cấp. Đó là, một trong những có điện dung thấp nhất đến gần nguồn điện nhất.

Việc thiết kế và chế tạo bảng RF đòi hỏi sự quan tâm nhiều hơn từ cả nhà thiết kế và nhà sản xuất. Vì những bo mạch này rất dễ bị nhiễu và nhiễu tần số cao, nên dù chỉ một sai sót nhỏ nhất cũng sẽ ảnh hưởng đến hoạt động. Tất cả các phương pháp và khía cạnh trên sẽ giúp chúng tôi hoàn thiện hơn với thiết kế.

Tham khảo: https://www.protoexpress.com/blog/factors-impact-rf-pcb-design/
PCB – Hero: https://www.pcb-hero.com/blogs/lilycolumn/rf-pcb-design-guidelines
Altium: https://resources.altium.com/p/pcb-coplanar-waveguide-calculator

Tài liệu chi tiết của Protoexpress:

 

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here