Quando si tratta di elettronica, “più piccolo è meglio” è una frase comune che gli ingegneri spesso si trovano a ripetere. Gli ingegneri sono stati in grado di implementare componenti più piccoli, grazie all’uso di PCB ad alta frequenza, che consentono dispositivi più piccoli.
Cos'è una scheda PCB ad alta frequenza?
Una scheda PCB ad alta frequenza è una scheda di circuito stampato progettata per funzionare ad alte frequenze. Queste schede sono tipicamente realizzate con materiali speciali e presentano caratteristiche di progettazione speciali per ridurre al minimo le perdite di segnale e garantire un funzionamento affidabile ad alta velocità.
Formula di frequenza
Per le schede PCB di circuiti ad alta frequenza, la seguente formula viene utilizzata per definire la larghezza di banda di emissione del segnale, a volte chiamata anche larghezza di banda di emissione EMI:
F=1/(Tr*π)
“F” è la frequenza (GHz); “Tr” (nanosecondi) si riferisce al tempo di salita o di discesa del segnale.
Generalmente quando F≥1GHz, può essere chiamato un circuito ad alta frequenza. Secondo questa formula, può essere calcolato che quando il tempo di salita del segnale è inferiore a circa 0,318 ns.
caratteristica scheda PCB ad alta frequenza
- Le schede HF hanno un DK piccolo e una migliore integrità del segnale rispetto alle schede PCB a bassa frequenza.
- Più resistenti alle diafonia e alle interferenze elettromagnetiche.
- Possono gestire velocità di dati più elevate.
- Più costose delle schede PCB a bassa frequenza.
- Eccellente resistenza agli urti, resistenza alla corrosione chimica e resistenza al calore.
linee guida per la progettazione di schede PCB ad alta frequenza
Routing su schede multistrato
I circuiti ad alta frequenza spesso hanno le caratteristiche di elevata integrazione e alta densità. L’utilizzo del routing multistrato su una scheda PCB ad alta frequenza è un modo efficace per ridurre le interferenze del segnale. Durante il layout della PCB, utilizzare lo strato intermedio per impostare lo schermo. Questo può ridurre efficacemente l’induttanza parassita e accorciare la lunghezza di trasmissione del segnale. Allo stesso tempo, può anche ridurre notevolmente le interferenze incrociate del segnale e simili. Tutti questi sono vantaggiosi per l’affidabilità dei circuiti ad alta frequenza.
Evitare le tracce anulari
Tutti i tipi di tracce di segnale ad alta frequenza non devono essere anulari. Se non può essere evitato, l’area anulare deve essere mantenuta il più piccola possibile.
Ridurre i conduttori curvi
È meglio utilizzare conduttori diritti nel routing di circuiti ad alta frequenza. È anche possibile utilizzare una polilinea a 45 gradi o un arco circolare se necessario. Di conseguenza, può ridurre l’emissione esterna e l’accoppiamento reciproco dei segnali ad alta frequenza.
Ridurre le vie tra i livelli
Secondo la misurazione, una via può portare circa 0,5 pF di capacità distribuita. Quindi, è in grado di migliorare la velocità e ridurre la possibilità di errori di dati, riducendo significativamente il numero di vie.
Utilizzare tracce corte
Nelle tracce PCB ad alta frequenza, maggiore è la lunghezza della traccia, maggiore è l’intensità della radiazione. Questo rende più facile l’accoppiamento a componenti vicini. Pertanto, le tracce corte sono migliori per le linee di segnale ad alta frequenza come linee di clock, oscillatori al quarzo, linee LVDS, linee USB e linee HDMI.
Isolare il filo di massa dei segnali digitali e analogici
Il potenziale elettrico del filo di massa nei segnali digitali ad alta frequenza è diverso da quello nei segnali analogici e tra loro esiste una certa differenza di tensione. Inoltre, il filo di massa nei segnali digitali ad alta frequenza spesso ha ricchi componenti armonici. Quando i fili di massa del segnale digitale e del segnale analogico sono direttamente collegati, le armoniche del segnale digitale interferiranno con il segnale analogico attraverso l’accoppiamento del filo di massa. Pertanto, i fili di massa dei segnali analogici e digitali devono essere collegati al filo di massa comune utilizzando perline di strozzatura ad alta frequenza. Oppure è possibile collegarli con un punto singolo in una posizione adatta.
7. Aggiungere condensatori di disaccoppiamento HF
Posizionare un condensatore di disaccoppiamento vicino al pin di alimentazione di ciascun blocco IC per sopprimere efficacemente l’interferenza delle armoniche ad alta frequenza sui pin di alimentazione.
applicazione PCB ad alta frequenza
Alcune potenziali applicazioni per i PCB ad alta frequenza includono:
- – applicazioni militari e aerospaziali
- – telecomunicazioni
- – dispositivi digitali ad alta velocità
- – dispositivi medici
- – Telefoni cellulari
- – Comunicazioni satellitari
- – Wi-Fi e altre reti wireless
- – Reti informatiche ad alta velocità
- – Sistemi radar e altre guerre elettroniche
- – Sistemi di imaging medico
Alta frequenza vs RF
Esistono due tipi principali di onde elettromagnetiche: alta frequenza (HF) e radio frequenza (RF). Le onde HF hanno una frequenza più alta rispetto alle onde RF e quindi possono trasportare più informazioni. Tuttavia, le onde HF sono anche più suscettibili alle interferenze e possono essere assorbite dagli oggetti più facilmente rispetto alle onde RF.
Vantaggi dei PCB ad alta frequenza
Come menzionato in precedenza, più piccolo è meglio quando si tratta di elettronica. Tuttavia, schede più piccole possono essere più difficili da implementare, soprattutto se utilizzano segnali a bassa frequenza. Con i PCB ad alta frequenza, gli ingegneri sono in grado di implementare schede più piccole e componenti più piccoli, rendendo più facile la creazione di dispositivi più piccoli. Le schede RF possono essere utilizzate per trasferire dati ad alta velocità, rendendole ideali per applicazioni come router WiFi, telefoni cellulari e reti informatiche. È anche utile nei dispositivi medici che inviano dati, come dispositivi di imaging medico, elettrocardiogrammi (ECG) e altre apparecchiature mediche.
Svantaggi dei circuiti stampati ad alta frequenza
L’unico vero svantaggio dei PCB ad alta frequenza è che operano a frequenze molto più alte rispetto ai PCB a bassa frequenza. Ciò significa che gli ingegneri devono prestare attenzione ai segnali che stanno utilizzando, poiché le frequenze più alte sono più suscettibili al rumore. Un’altra cosa da menzionare è che i PCB ad alta frequenza non possono essere instradati con materiali conduttivi, come il rame, poiché ciò causerebbe un cortocircuito. Per questo motivo, le schede ad alta frequenza devono essere instradate con materiali non conduttivi come materiali a base di poliimmide.
Materiali PCB ad alta frequenza
Quando si scelgono materiali PCB ad alta frequenza, ci sono alcune cose da considerare. La costante dielettrica (Dk) e il fattore di dissipazione (Df) del materiale sono proprietà importanti da considerare. Il Dk di un materiale determina quanto bene può immagazzinare energia elettrica, mentre il Df determina quanta energia viene persa sotto forma di calore. I materiali con un Dk e un Df bassi sono ideali per applicazioni ad alta frequenza.
FR-4 è un dielettrico comune utilizzato nei PCB. Ha un Dk di circa 4,5 e un Df di circa 0,02. Sebbene FR-4 sia un buon dielettrico per uso generale, ci sono altri materiali che potrebbero essere più adatti per applicazioni specifiche. Ad esempio, Rogers RO4003C ha un Dk di 3,48 e un Df di 0,0037. Questo lo rende una buona scelta per applicazioni RF in cui è importante una bassa perdita.
La tabella sottostante mostra alcuni materiali comunemente utilizzati per la realizzazione di PCB ad alta frequenza:
Un’altra considerazione importante quando si scelgono materiali PCB ad alta frequenza è lo spessore del dielettrico. Più spesso è il dielettrico, maggiore è la capacità. Questo è importante da considerare perché la capacità di un PCB influisce sull’impedenza. In generale, è meglio utilizzare il dielettrico più sottile possibile mantenendo comunque la capacità richiesta.
Quando si scelgono materiali PCB ad alta frequenza, è importante considerare il Dk, il Df e lo spessore del dielettrico. L’utilizzo di un materiale con un Dk e un Df bassi contribuirà a ridurre le perdite, mentre l’utilizzo di un dielettrico sottile contribuirà a mantenere bassa l’impedenza.
Conclusione
Le schede ad alta frequenza operano a frequenze più elevate rispetto alle schede a bassa frequenza e sono utilizzate in dispositivi di comunicazione wireless e reti informatiche. I PCB ad alta frequenza aiutano gli ingegneri a creare dispositivi più piccoli e consentono anche velocità di trasmissione dati maggiori. Tuttavia, i PCB ad alta frequenza devono essere instradati con materiali non conduttivi e non possono essere instradati con materiali conduttivi come il rame.
