Wenn es um Elektronik geht, ist „kleiner ist besser“ ein gängiger Spruch, den Ingenieure oft wiederholen. Durch den Einsatz von Hochfrequenz-Leiterplatten konnten Ingenieure kleinere Komponenten implementieren, die kleinere Geräte ermöglichen.
Was ist eine Hochfrequenz-Leiterplatte?
Eine Hochfrequenz-Leiterplatte ist eine Leiterplatte, die für den Betrieb bei hohen Frequenzen ausgelegt ist. Diese Leiterplatten werden in der Regel aus speziellen Materialien hergestellt und verfügen über besondere Konstruktionsmerkmale, um Signalverluste zu minimieren und einen zuverlässigen Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.
Frequenzformel
Für Hochfrequenz-Leiterplatten wird die folgende Formel verwendet, um die Emissionsbandbreite des Signals zu definieren, die manchmal auch als EMI-Emissionsbandbreite bezeichnet wird:
F=1/(Tr*π)
„F“ ist die Frequenz (GHz); „Tr“ (Nanosekunde) bezieht sich auf die Anstiegszeit oder Abfallzeit des Signals.
Normalerweise kann man bei F≥1GHz von einer Hochfrequenzschaltung sprechen. Nach dieser Formel lässt sich berechnen, dass die Anstiegszeit des Signals weniger als etwa 0,318 ns beträgt.
Hochfrequenz-Leiterplattencharakteristik
- HF-Leiterplatten haben einen geringen DK-Wert und eine bessere Signalintegrität als Leiterplatten mit niedrigerer Frequenz.
- Sie sind widerstandsfähiger gegen Übersprechen und elektromagnetische Störungen.
- Sie können höhere Datenraten verarbeiten.
- Teurer als Leiterplatten mit niedrigerer Frequenz.
- Hervorragende Schlagfestigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit.
Richtlinien für das Design von Hochfrequenz-Leiterplatten
1. Leiterplatten mit mehreren Schichten
Hochfrequenzschaltungen weisen häufig eine hohe Integration und Dichte auf. Die Verwendung von mehrschichtigem Routing in Hochfrequenz-Leiterplatten ist eine effektive Methode, um Signalstörungen zu reduzieren. Verwenden Sie beim PCB-Layout die Zwischenschicht, um die Abschirmung einzurichten. Dadurch können parasitäre Induktivitäten effektiv reduziert und die Übertragungslänge des Signals verkürzt werden. Gleichzeitig können auch Signal-Kreuzstörungen und Ähnliches erheblich reduziert werden. All dies wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit von Hochfrequenzschaltungen aus.
2. Vermeiden Sie ringförmige Spuren
Alle Arten von Hochfrequenz-Signalspuren sollten nicht ringförmig sein. Wenn dies nicht vermieden werden kann, sollte der ringförmige Bereich so klein wie möglich gehalten werden.
3. Reduzieren Sie gekrümmte Leitungen
Bei der Verlegung von Hochfrequenzschaltungen sollten Sie möglichst gerade Leitungen verwenden. Bei Bedarf können Sie auch eine 45-Grad-Polylinie oder einen Kreisbogen verwenden. Dadurch lassen sich die externe Emission und die gegenseitige Kopplung von Hochfrequenzsignalen reduzieren.
4. Reduzieren Sie Durchkontaktierungen zwischen den Schichten.
Gemäß der Messung kann eine Durchkontaktierung eine verteilte Kapazität von etwa 0,5 pF verursachen. Durch eine deutliche Reduzierung der Anzahl der Durchkontaktierungen lassen sich also die Geschwindigkeit verbessern und die Wahrscheinlichkeit von Datenfehlern verringern.
5. Verwenden Sie kurze Spuren.
Bei hochfrequenten Leiterbahnen gilt: Je länger die Leiterbahn, desto höher die Strahlungsintensität. Dadurch kommt es leichter zu Kopplungen mit benachbarten Bauteilen. Daher sind kurze Leiterbahnen besser für hochfrequente Signalleitungen wie Takte, Quarzoszillatoren, LVDS-Leitungen, USB-Leitungen und HDMI-Leitungen geeignet.
6. Isolieren Sie das Erdungskabel von digitalen und analogen Signalen.
Das elektrische Potenzial des Erdungskabels im hochfrequenten digitalen Signal unterscheidet sich von dem im analogen Signal, und zwischen ihnen besteht eine gewisse Spannungsdifferenz. Darüber hinaus weist das Erdungskabel in hochfrequenten digitalen Signalen häufig reichhaltige harmonische Komponenten auf. Wenn die Erdungskabel des digitalen Signals und des analogen Signals direkt miteinander verbunden sind, stören die Oberwellen des digitalen Signals das analoge Signal über die Erdungskabelkopplung. Daher müssen die Erdungsdrähte des analogen und des digitalen Signals mithilfe von Hochfrequenz-Drosselperlen mit dem gemeinsamen Erdungsdraht verbunden werden. Alternativ können Sie sie an einer geeigneten Stelle mit einem Einzelpunkt verbinden.
7. HF-Entkopplungskondensatoren hinzufügen
Platzieren Sie einen Entkopplungskondensator in der Nähe des Stromanschlusses jedes IC-Blocks, um die Störung der Stromanschlüsse durch hochfrequente Oberschwingungen wirksam zu unterdrücken.
Hochfrequenz-Leiterplattenanwendung
Einige potenzielle Anwendungsbereiche für Hochfrequenz-Leiterplatten sind:
- – Militär- und Luftfahrtanwendungen
- – Telekommunikation
- – Hochgeschwindigkeits-Digitalgeräte
- – Medizinische Geräte
- – Mobiltelefone
- – Satellitenkommunikation
- – WLAN und andere drahtlose Netzwerke
- – Hochgeschwindigkeits-Computernetzwerke
- – Radar und andere elektronische Kampfsysteme
- – Medizinische Bildgebungssysteme
Hochfrequenz vs. HF
Es gibt zwei Haupttypen elektromagnetischer Wellen: Hochfrequenzwellen (HF) und Radiofrequenzwellen (RF). HF-Wellen haben eine höhere Frequenz als RF-Wellen und können daher mehr Informationen übertragen. Allerdings sind HF-Wellen auch anfälliger für Störungen und können leichter von Objekten absorbiert werden als RF-Wellen.
Vorteile von Hochfrequenz-Leiterplatten
Wie oben erwähnt, gilt bei Elektronikgeräten: Je kleiner, desto besser. Allerdings können kleinere Platinen schwieriger zu implementieren sein, insbesondere wenn sie mit Niederfrequenzsignalen arbeiten. Mit Hochfrequenz-Leiterplatten können Ingenieure kleinere Platinen und Komponenten implementieren, was die Entwicklung kleinerer Geräte erleichtert. HF-Platinen können zur Übertragung von Daten mit hohen Geschwindigkeiten verwendet werden und eignen sich daher ideal für Anwendungen wie WLAN-Router, Mobiltelefone und Computernetzwerke. Sie sind auch nützlich in medizinischen Geräten, die Daten senden, wie z. B. medizinische Bildgebungsgeräte, Elektrokardiogramme (EKG) und andere medizinische Geräte.
Nachteile von Hochfrequenz-Leiterplatten
Der einzige wirkliche Nachteil von Hochfrequenz-Leiterplatten besteht darin, dass sie mit viel höheren Frequenzen arbeiten als Niederfrequenz-Leiterplatten. Das bedeutet, dass Ingenieure sorgfältig darauf achten müssen, welche Signale sie verwenden, da höhere Frequenzen anfälliger für Störungen sind. Außerdem ist zu beachten, dass Hochfrequenz-Leiterplatten nicht mit leitfähigen Materialien wie Kupfer verlegt werden können, da dies zu einem Kurzschluss führen würde. Aus diesem Grund müssen Hochfrequenz-Leiterplatten mit nichtleitenden Materialien wie polyimidbasierten Materialien verlegt werden.
Hochfrequenz-Leiterplattenmaterialien
Bei der Auswahl von Hochfrequenz-Leiterplattenmaterialien sind einige Dinge zu beachten. Die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df) des Materials sind wichtige Eigenschaften, die es zu berücksichtigen gilt. Die Dk eines Materials bestimmt, wie gut es elektrische Energie speichern kann, während der Df bestimmt, wie viel Energie als Wärme verloren geht. Materialien mit einer niedrigen Dk und einem niedrigen Df sind ideal für Hochfrequenzanwendungen.
FR-4 ist ein häufig in Leiterplatten verwendetes Dielektrikum. Es hat eine Dk von etwa 4,5 und eine Df von etwa 0,02. FR-4 ist zwar ein gutes Allzweck-Dielektrikum, aber es gibt andere Materialien, die für bestimmte Anwendungen besser geeignet sein können. Beispielsweise hat Rogers RO4003C einen Dk-Wert von 3,48 und einen Df-Wert von 0,0037. Damit ist es eine gute Wahl für HF-Anwendungen, bei denen geringe Verluste wichtig sind.
Die folgende Tabelle zeigt einige häufig verwendete Materialien für die Herstellung von Hochfrequenz-Leiterplatten:
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl von Hochfrequenz-Leiterplattenmaterialien ist die Dicke des Dielektrikums. Je dicker das Dielektrikum, desto höher die Kapazität. Dies ist wichtig zu berücksichtigen, da die Kapazität einer Leiterplatte die Impedanz beeinflusst. Im Allgemeinen ist es am besten, ein möglichst dünnes Dielektrikum zu verwenden und dabei die erforderliche Kapazität beizubehalten.
Bei der Auswahl von Hochfrequenz-Leiterplattenmaterialien ist es wichtig, den Dk-, Df-Wert und die Dicke des Dielektrikums zu berücksichtigen. Die Verwendung eines Materials mit niedrigem Dk- und Df-Wert trägt zur Verringerung von Verlusten bei, während die Verwendung eines dünnen Dielektrikums dazu beiträgt, die Impedanz niedrig zu halten.
Fazit
Hochfrequenzplatinen arbeiten mit höheren Frequenzen als Niederfrequenzplatinen und werden in drahtlosen Kommunikationsgeräten und Computernetzwerken eingesetzt. Hochfrequenz-Leiterplatten helfen Ingenieuren dabei, kleinere Geräte zu entwickeln, und ermöglichen außerdem höhere Datenübertragungsraten. Hochfrequenz-Leiterplatten müssen jedoch mit nichtleitenden Materialien verlegt werden und können nicht mit leitenden Materialien wie Kupfer verlegt werden.
