О компании
Служба поддержки
+7 (495) 221-69-21
+7 925 730-14-87
Каждому проектировщику радиочастотных схем приходится принимать множество важных решений в процессе проектирования печатных плат (PCB), чтобы гарантировать, что проектируемое устройство будет функционировать должным образом. Эти решения варьируются от выбора правильных материалов до разработки конфигурации платы, которая исключает распространенные проблемы, такие как, распространение паразитных волн, потери в проводнике и излучение, нежелательный резонанс и дисперсию.
Однако по мере того, как рабочие частоты вашего устройства достигают миллиметрового диапазона (от 30 до 300 ГГц), взаимодействие этих коротковолновых сигналов с платой и ее окружением становится более интенсивным по сравнению с сигналами в микроволновом диапазоне (от 3 до 30 ГГц). Таким образом, задачи конфигурации платы и выбора материала становятся еще более сложными и важными для эффективности конечного изделия.
Поскольку длина волны частот миллиметрового диапазона находится в диапазоне от 1 см до 1 мм, схемы требуют высокоэффективной фильтрации. Но чтобы фильтры работали эффективно, вы должны быть уверены, что ваша печатная плата сконструирована соответствующим образом.
В этой статье мы рассмотрим различные соображения по проектированию платы для приложений миллиметрового диапазона.
Факторы определяющие выбор материала платы
Качественный монтаж печатной платы и выбор материала платы чрезвычайно важны для достижения требуемой эффективности фильтра. Поскольку производителей плат слишком много, поставщики пассивных компонентов не могут разработать макеты плат, оптимизирующие функциональность компонентов для различных частот на каждом варианте платы. Поэтому каждый поставщик обычно включает рекомендуемый образец печатной платы, который служит отправной точкой – эталонным образцом разработчика.
Начиная проектировать новую схему, важно знать, что рекомендуемая топология печатной платы может не идеально подходить для нужд вашего приложения, особенно если вы работаете на частотах миллиметрового диапазона. Размеры контактных площадок и ширину дорожек печатных плат необходимо будет оптимизировать для различных материалов и толщин платы, чтобы поддерживать наилучший возможный коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН).
Чтобы устранить нежелательный резонанс и свести к минимуму проблемы с распространением сигнала, выбранный материал платы должен быть тоньше, чем четверть длины волны на самой высокой рабочей частоте в выбранном материале платы. Тогда ширина сигнального проводника будет определяться толщиной и диэлектрической проницаемостью (Dk) выбранного материала печатной платы. Как правило, чем тоньше материал печатной платы, тем уже необходимая ширина проводника.
Поскольку приложения mmWave требуют изготовление более тонких плат, поэтому допуски на травление должны быть чрезвычайно точными. Любое изменение ширины дорожки или зазора в травлении окажут значительное влияние на импеданс системы, что, в свою очередь, приведет к ухудшению КСВ. Кроме того, из-за растущей потребности в более сложной многослойной конструкции платы, включающей несколько этапов нанесения покрытия, может быть трудно добиться строгого контроля за точностью формирования рисунка на внешних слоях платы из-за более толстого медного покрытия.
Выбирая материал платы, также важно учитывать, что толщина ВЧ-слоя и Dk материала платы могут увеличивать или уменьшать шунтирующую емкость, с которая может возникнуть на полностью смонтированной плате. Поэтому для достижения наилучшей производительности важно оптимизировать компоновку платы как вокруг так и под компонентами.
Два дополнительных, иногда упускаемых из виду фактора выбора материала, которые могут повлиять на электрические свойства платы, — это влагопоглощение и тепловые свойства. Хороший высокочастотный материал будет иметь влагопоглощение <0,3%. Что касается тепловых свойств, вы должны убедиться, что коэффициент теплового расширения (CTE) материала печатной платы близок к CTE керамических компонентов, используемых на плате, чтобы избежать растрескивания.
Соображения относительно шаблона припоя и профиля оплавлением
После того, как материалы выбраны и вы начинаете думать о сборке платы, одним из шагов, который может сильно повлиять на характеристики схемы, особенно в миллиметровом диапазоне, является выбор технологии пайки и профиля оплавления. Давайте рассмотрим пример на основе работы с одним из наших устройств.
Мы рекомендуем иметь толщину припоя от 2 до 3 mil после сборки. Его следует использовать в качестве ориентира для расчета необходимых апертур припоя при выборе желаемой толщины трафарета. Рекомендуемый профиль оплавления припоя имеет максимальную температуру 250°C, поскольку в корпусных микросхемах используется высокотемпературный припой, оплавление которого происходит примерно при 290 °C. Поэтому не рекомендуется, чтобы профиль оплавления был выше 265°C. На рис. 1 представлен распространенный термопрофиль.
Рис. 1. На этом графике показан рекомендуемый Knowles Precision Devices профиль оплавления припоя для пайки фильтра на печатную плату припоем SN63
Заземление, покрытие и металлизация
Чтобы обеспечить надежную работу устройств mmWave, также, необходимо надлежащее заземление, покрытие и металлизация. Во-первых, важно учитывать расстояние между переходными отверстиями земли на частотах миллиметрового диапазона, потому что моды более высокого порядка могут легко резонировать между переходными отверстиями, если расстояние не учитывается. Чтобы избежать этого, хорошим эмпирическим правилом для расстояния между переходами заземления является то, что расстояние между краями должно составлять меньше одной восьмой длины волны самой высокой рабочей частоты.
Кроме того, несколько переходов между слоями в многослойной печатной плате будут иметь большее влияние на производительность mmWave приложений. Переходы требуют нескольких этапов покрытия осаждением меди на внешние слои печатной платы. Допуск более толстой меди намного сложнее контролировать, что может быть критически вредным на частотах миллиметрового диапазона, поскольку это повлияет на КСВН.
Кроме того, шероховатость поверхности медного покрытия на печатной плате гораздо больше влияет на потери в проводнике на частотах миллиметрового диапазона. В то время как, некоторые разработчики плат применяют шероховатую медь для улучшения сцепления с диэлектрическим материалом и снижения стоимости, более шероховатые поверхности существенно замедляют волну, когда она проходит через плату. Поэтому, если шероховатость поверхности приводит к критически недопустимым изменениям фазы или задержки сигнала для разрабатываемого устройства, тогда эти факторы нельзя упускать из виду.
Существует множество возможных вариантов финишного покрытия, поскольку каждый вариант имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые из самых популярных доступных покрытий включают иммерсионное золото, полученное химическим способом, из никеля (ENIG); никелевое, иммерсионное палладиевое золото (ENEPIG); и иммерсионное серебро.
При выборе финишного покрытия необходимо учитывать один важный фактор — вносимые потери, которые покрытие добавит в вашу систему. График на рис. 2 демонстрирует, как различные покрытия поверхности могут повлиять на вносимые потери линии передачи на печатной плате.
Рис. 2. Показаны вносимые потери на микрополосках. Использован
ламинат толщиной 5 mil с низкими потерями и прокатанной медью
mmWave схемах можно использовать микрополосковые и заземленные копланарно-волноводные (CPW) линии передачи. Использование CPW вместо микрополосковой линии передачи, более предпочтительно, поскольку это позволяет улучшить изоляцию и уменьшить потери. При использовании CPW концентрация электрического поля в воздухе больше, что приводит к меньшим потерям. Кроме того, полигон земли находится в одной плоскости с CPW. Следовательно, такое расположение улучшает изоляцию и создает меньшую дисперсию на более высоких частотах.
При проектировании схемы, работающей на частотах миллиметрового диапазона, иногда приходиться отклоняться от стандартных материалов и толщин, рекомендуемых для сборки печатной платы. Чтобы добиться максимальной эффективности, рекомендуется сначала обсудить любые потенциальные изменения материала платы или конфигурации, с производителем применяемых компонентов.
Источник: www.mwrf.com