Когда речь заходит об электронике, инженеры часто повторяют фразу «чем меньше, тем лучше». Инженеры смогли внедрить более компактные компоненты благодаря использованию высокочастотных печатных плат, которые позволяют создавать более компактные устройства.
Что такое высокочастотная печатная плата?
Высокочастотная печатная плата — это печатная плата, предназначенная для работы на высоких частотах. Такие платы обычно изготавливаются из специальных материалов и имеют особые конструктивные особенности, позволяющие минимизировать потери сигнала и обеспечить надежную работу на высоких скоростях.
Формула частоты
Для печатных плат высокочастотных цепей используется следующая формула для определения полосы излучения сигнала, иногда также называемой полосой излучения ЭМИ:
F=1/(Tr*π)
«F» — частота (ГГц); «Tr» (наносекунда) — время нарастания или спада сигнала.
Обычно, когда F≥1 ГГц, это можно назвать высокочастотной схемой. Согласно этой формуле, можно рассчитать, что когда время нарастания сигнала меньше примерно 0,318 нс.
характеристика высокочастотной печатной платы
- Высокочастотные печатные платы имеют небольшой коэффициент диэлектрической проницаемости и лучшую целостность сигнала, чем печатные платы с более низкой частотой.
- Более устойчивы к перекрестным помехам и электромагнитным помехам.
- Они могут обрабатывать более высокие скорости передачи данных.
- Более дорогие, чем печатные платы с более низкой частотой.
- Отличная ударопрочность, химическая коррозионная стойкость и термостойкость.
рекомендации по проектированию высокочастотных печатных плат
1. Маршрутизация многослойных плат
Высокочастотные схемы часто характеризуются высокой степенью интеграции и высокой плотностью. Использование многослойной трассировки в высокочастотных печатных платах является эффективным способом уменьшения помех сигнала. При компоновке печатной платы используйте промежуточный слой для установки экрана. Это может эффективно уменьшить паразитную индуктивность и сократить длину передачи сигнала. В то же время это может значительно уменьшить перекрестные помехи сигнала и т. п. Все это благоприятно сказывается на надежности высокочастотных схем.
2. Избегайте кольцевых следов
Все виды высокочастотных сигнальных трасс не должны быть кольцевыми. Если этого нельзя избежать, кольцевая область должна быть как можно меньше.
3. Уменьшите изогнутые выводы
В высокочастотных схемах лучше использовать прямые выводы. При необходимости можно также использовать полилинию под углом 45 градусов или круговую дугу. В результате это может снизить внешнее излучение и взаимную связь высокочастотных сигналов.
4. Уменьшите количество переходных отверстий между слоями.
Согласно измерениям, переходная дырка может привести к распределенной емкости около 0,5 пФ. Таким образом, уменьшение количества переходных дырок может значительно повысить скорость и снизить вероятность ошибок в данных.
5. Используйте короткие трассировки
В высокочастотных печатных платах чем длиннее трасса, тем выше интенсивность излучения. Это облегчает соединение с близлежащими компонентами. Поэтому короткие трассы лучше подходят для высокочастотных сигнальных линий, таких как тактовые генераторы, кварцевые генераторы, линии LVDS, линии USB и линии HDMI.
6. Изолируйте заземляющий провод цифровых и аналоговых сигналов.
Электрический потенциал заземляющего провода в высокочастотном цифровом сигнале отличается от потенциала в аналоговом сигнале, и между ними существует определенная разность напряжений. Кроме того, заземляющий провод в высокочастотных цифровых сигналах часто имеет богатые гармонические компоненты. Когда заземляющие провода цифрового сигнала и аналогового сигнала подключены напрямую, гармоники цифрового сигнала будут создавать помехи аналоговому сигналу через заземляющий провод. Поэтому заземляющие провода аналогового и цифрового сигналов должны быть подключены к общему заземляющему проводу с помощью высокочастотных дроссельных бусин. Или вы можете подключить их к одной точке в подходящем месте.
7. Добавьте развязывающие конденсаторы HF.
Разместите развязывающий конденсатор рядом с выводом питания каждого блока ИС, чтобы эффективно подавлять помехи высокочастотных гармоник на выводах питания.
применение высокочастотных печатных плат
Некоторые потенциальные области применения высокочастотных печатных плат включают:
- — военные и аэрокосмические применения
- — телекоммуникации
- — высокоскоростные цифровые устройства
- — медицинские устройства
- — мобильные телефоны
- — спутниковая связь
- — Wi-Fi и другие беспроводные сети
- — высокоскоростные компьютерные сети
- — Радарные и другие системы радиоэлектронной борьбы
- — Системы медицинской визуализации
Высокая частота против РЧ
Существует два основных типа электромагнитных волн: высокочастотные (ВЧ) и радиочастотные (РЧ). ВЧ-волны имеют более высокую частоту, чем РЧ-волны, и поэтому могут нести больше информации. Однако ВЧ-волны также более подвержены помехам и могут легче поглощаться объектами, чем РЧ-волны.
Преимущества высокочастотных печатных плат
Как упоминалось выше, в электронике меньше значит лучше. Однако более компактные платы могут быть сложнее в реализации, особенно если они используют низкочастотные сигналы. С помощью высокочастотных печатных плат инженеры могут реализовывать более компактные платы и компоненты, что упрощает создание более компактных устройств. РЧ-платы могут использоваться для передачи данных с высокой скоростью, что делает их идеальным решением для таких приложений, как WiFi-маршрутизаторы, сотовые телефоны и компьютерные сети. Они также полезны в медицинских устройствах, которые передают данные, таких как устройства медицинской визуализации, электрокардиографы (ЭКГ) и другое медицинское оборудование.
Недостатки высокочастотных печатных плат
Единственным реальным недостатком высокочастотных печатных плат является то, что они работают на гораздо более высоких частотах, чем низкочастотные печатные платы. Это означает, что инженеры должны быть осторожны в отношении используемых сигналов, поскольку более высокие частоты более подвержены шуму. Еще один момент, который следует упомянуть, заключается в том, что высокочастотные печатные платы не могут быть проложены с использованием проводящих материалов, таких как медь, поскольку это приведет к короткому замыканию. По этой причине высокочастотные платы должны быть проложены с использованием непроводящих материалов, таких как материалы на основе полиимида.
Материалы для печатных плат высокой частоты
При выборе материалов для высокочастотных печатных плат необходимо учитывать несколько факторов. Важными свойствами, которые следует принимать во внимание, являются диэлектрическая проницаемость (Dk) и коэффициент рассеяния (Df) материала. Диэлектрическая проницаемость материала определяет, насколько хорошо он может накапливать электрическую энергию, а коэффициент рассеяния определяет, сколько энергии теряется в виде тепла. Материалы с низкими значениями Dk и Df идеально подходят для высокочастотных применений.
FR-4 — распространенный диэлектрик, используемый в печатных платах. Он имеет Dk около 4,5 и Df около 0,02. Хотя FR-4 является хорошим диэлектриком общего назначения, существуют другие материалы, которые могут быть более подходящими для конкретных применений. Например, Rogers RO4003C имеет Dk 3,48 и Df 0,0037. Это делает его хорошим выбором для радиочастотных приложений, где важны низкие потери.
В таблице ниже приведены некоторые широко используемые материалы для изготовления высокочастотных печатных плат:
Еще одним важным фактором при выборе материалов для высокочастотных печатных плат является толщина диэлектрика. Чем толще диэлектрик, тем выше емкость. Это важно учитывать, поскольку емкость печатной платы влияет на импеданс. Как правило, лучше всего использовать как можно более тонкий диэлектрик, сохраняя при этом требуемую емкость.
При выборе материалов для высокочастотных печатных плат важно учитывать Dk, Df и толщину диэлектрика. Использование материала с низкими значениями Dk и Df поможет снизить потери, а использование тонкого диэлектрика поможет сохранить низкий импеданс.
Заключение
Высокочастотные платы работают на более высоких частотах, чем низкочастотные платы, и используются в устройствах беспроводной связи и компьютерных сетях. Высокочастотные печатные платы помогают инженерам создавать более компактные устройства, а также обеспечивают более высокую скорость передачи данных. Однако высокочастотные печатные платы должны быть проложены с использованием непроводящих материалов и не могут быть проложены с использованием проводящих материалов, таких как медь.
