Основы проектирования СВЧ плат.

1799

Разработчики цифровых устройств, вероятно, знакомы с некоторыми ограничениями, свойственными СВЧ компонентам и особенностями трассировки печатных плат, но для успешного проектирования СВЧ-плат нужно знать и уметь гораздо больше. 

СВЧ устройство может содержать интегральные схемы, дискретные полупроводники и печатные элементы, которые работают вместе для обеспечения необходимой функциональности. Проектирование СВЧ устройств предусматривает объединение всех этих элементов для построения общей системы и создания компоновки печатной платы.

СВЧ устройства не так интуитивно понятны, как типовые устройства, и иногда может показаться, что они нарушают основные правила электрического проектирования. Однако из-за природы распространения электромагнитного поля — схемы, работающие на частотах СВЧ диапазона, действуют совсем иначе, чем типовые схемы, работающие на постоянном токе или в цифровых диапазонах. Независимо от того, разрабатываете вы систему для беспроводной связи или просто хотите спроектировать линию передачи с определенным импедансом, обратите внимание на основы микроволновой техники.

https://play.vidyard.com/c6v56EiRo6dsEYaiDEmUnj

Чаще всего всё, что связано с успешным проектированием СВЧ устройств на интегральных схемах и печатных платах — это то, что нужно знать для сдачи квалификационных экзаменов в университете. Однако многие из сегодняшних специализированных продуктов должны будут работать со смешанными сигналами, иметь блок беспроводной связи или обеспечивать работу высокочастотного устройства, например радара. Сегодня проектирование СВЧ устройств снова становится мейнстримом. Поэтому разработчики, которые не знакомы с этой темой, должны обязательно прочитать это руководство, чтобы усовершенствовать свои навыки.

Введение в проектирование СВЧ устройств

СВЧ устройства состоят из стандартных элементов и некоторых простых интегральных микросхем, а так же в их конструкции иногда применяются элементы печатного монтажа на плате. СВЧ устройства могут показаться сложными, поскольку они не всегда используют стандартные методы проектирования. На СВЧ платах могут применяться структуры из печатных проводников и некоторые дополнительные компоненты для обеспечения функциональности устройства.

Печатные элементы СВЧ плат

Печатные элементы СВЧ печатной платы выполняются с использованием медных проводников для реализации элементов схемы. Расположение проводников, конденсаторов или катушек индуктивности, а также полупроводников на СВЧ плате может показаться интуитивно непонятным, но они используют преимущества распространения в электромагнитном поле для получения желаемых электрических характеристик. Есть несколько важных концептуальных моментов, которые следует помнить при проектировании СВЧ устройств, а также об их электрических характеристиках на печатной плате:

  • Пассивность: все СВЧ печатные элементы пассивны, пока в конструкцию не добавлен стандартный активный компонент. Тем не менее, проводятся исследования активных СВЧ-компонентов, построенных полностью из печатных проводников.
  • Линейность: СВЧ-устройства, построенные из печатных проводников, всегда линейны, что означает, что напряжение и ток связаны линейной функцией (прямая линия на графике). Эти схемы становятся нелинейными только в том случае, если в схему добавляется нелинейный полупроводниковый компонент, например диод.
  • Распространение: все СВЧ-устройства базируются на природе распространения волн. Это означает, что необходимо рассчитывать входные импедансы при определении того, как согласовать импеданс внутри устройства и как создавать интерфейсы между различными частями СВЧ-устройства.
  • Целостность сигнала: целостность СВЧ сигнала зависит от электромагнитного экранирования и изоляции, поскольку СВЧ сигналы должны быть максимально помехоустойчивыми. Было разработано множество уникальных экранирующих конструкций и методов компоновки, чтобы обеспечить необходимое экранирование и изоляцию в СВЧ системах.

Активные СВЧ-устройства

Активные СВЧ-устройства могут состоять из множества разных компонентов, от генератора до управляемых усилителей, АЦП и приемопередающих устройств. Эти компоненты могут использоваться в дополнение к печатным проводникам для обеспечения дополнительных функций. Многие радиолокационные модули, беспроводные системы, усилители и телекоммуникационные компоненты будут использовать активные компоненты наряду с пассивными печатными СВЧ-компонентами для обеспечения требуемых характеристик распространения сигнала. Выборка, управление и обработка сигналов выполняется с помощью активных компонентов, которые также могут обеспечивать обратную связь для цифровых систем.

Пример модуля радара
Пример модуля радара с использованием AWR1243FBIGABLQ1 от Texas Instruments.

Планирование конструкции платы

Подобно высокоскоростной цифровой печатной плате, успешное проектирование СВЧ-устройства зависит от построения стека печатной платы, который сможет обеспечить необходимые характеристики вашей СВЧ-схемы. Стек должен быть спроектирован таким образом, чтобы СВЧ-элементы имели желаемый характеристический импеданс, хотя импеданс вашей системы это результат гораздо более сложных манипуляций с помощью компоновки и трассировки вашей платы. Кроме того частота, на которой работает ваша плата, будет определять, каким должен быть стек, какой тип печатной платы должен быть применен и какие высокочастотные компоненты можно использовать. Конструкция СВЧ-ИС (СВЧ интегральные схемы) создается по тем же принципам, что и конструкция СВЧ печатной платы, и знание этих принципов поможет добиться успеха в любой области СВЧ-конструирования.

Материалы для СВЧ печатной платы

Материалы FR4 приемлемы для высокочастотных линий передач и межкомпонентных соединений, работающих на частотах WiFi (~6 ГГц). Выше этих частот, инженеры по СВЧ рекомендуют использовать альтернативные материалы для обеспечения распространения сигналов в конструкции СВЧ печатных плат. Стандартные ламинаты FR4 представляют собой структуру из наполненного смолой плетения стекловолокна. Однако эффект плетения волокон некоторых материалов может создавать проблемы с целостностью сигнала и питания, если процедуры изготовления платы не определены должным образом.

В качестве альтернативных материалов используются ламинаты на основе ПТФЭ и связующие материалы на его основе для соединения слоев в стеке печатной платы. Эти материалы имеют более низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь, чем материалы FR4, поэтому сигналы могут распространяться дальше без ослабления и при этом оставаться в допустимых пределах. Эти ламинаты должны образовывать подложку, которая поддерживает линии передачи на очень высоких частотах, например радар 77 ГГц, или для очень длинных соединений на более низких частотах, таких как WiFi 6 ГГц. В таблице ниже приведены некоторые важные свойства материалов для распространенных материалов СВЧ печатных плат.

Некоторые характеристики материалов СВЧ-плат
Некоторые характеристики материалов СВЧ-плат.

Варианты стека печатной платы с применением СВЧ материалов

Выбрав ламинат и связующие материалы для применения в конструкции СВЧ устройства, необходимо сформировать стек. Весь стек многослойной печатной платы можно сформировать из СВЧ материалов, но обычно этого не требуется, так как это может быть слишком дорого. Одним из вариантов является создание гибридного стека, в котором СВЧ ламинат размещается на верхнем слое для поддержки высокочастотных линий передачи и элементов схемы, а внутренние слои используются для расположения полигонов заземления, трассировки цифровых сигналов и питания. Противоположный слой также может содержать цифровые компоненты, которые должны взаимодействовать с вашим входным высокочастотным интерфейсом, любыми АЦП для ввода СВЧ-сигналов.

Пример гибридного стека с ламинатом Rogers PTFE
Пример гибридного стека с ламинатом Rogers PTFE

Если цифровая часть не нужна вам в вашей СВЧ печатной плате, то можно выбрать двухслойную или трехслойную структуру с высокочастотными ламинатами стандартной или почти стандартной толщины. После определения толщины слоев печатной платы и материалов необходимо определить импеданс СВЧ проводников.

Расчёт импеданса СВЧ проводника

После определения стека необходимо рассчитать ширину проводников на печатной плате, чтобы получить желаемый импеданс для СВЧ проводников (обычно 50 Ом). Импеданс проводника и его размеры связаны некоторыми формулами, полученными с помощью метода, называемого конформным отображением. В настоящее время лучшим ресурсом для поиска формул для расчета импеданса проводника с комплексной диэлектрической постоянной является Руководство Брайана К. Уодделла по проектированию линии передачи. Однако эти формулы не могут быть использованы для конкретной ширины, поэтому для определения ширины нужно применить численный метод, чтобы линия передачи имела конкретный импеданс.

Для более сложных вариантов компоновки, таких как смещенные полосковые линии или волноводы, лучшим вариантом является использование инструмента для построения структуры слоев со встроенным анализатором полей. Эти утилиты могут учитывать шероховатость меди, изменение геометрии проводника во время изготовления, различные варианты трассировки и расположение проводников в структуре стека. Их также легко использовать в составе программного обеспечения для проектирования печатных плат.

Layer Stack Manager в Altium Designer имеет встроенный калькулятор импеданса, который учитывает шероховатость меди
Layer Stack Manager в Altium Designer имеет встроенный калькулятор импеданса, который учитывает шероховатость меди.

Как только вы узнаете значение импеданса для соединений, вам все равно нужно будет определить требования по согласованию импеданса, просмотрев результаты моделирования отражений или значения в даташитах. Для линий передачи, используемых в СВЧ печатных платах, входной импеданс различных участков линии передачи используется для определения согласования импеданса для данной схемы. Если соединяются линии передачи и СВЧ-компоненты, необходимо учесть входной импеданс при проектировании и согласовании импеданса цепи с СВЧ-компонентом.

Общие положения проектирования СВЧ устройств

Перед проектированием СВЧ устройств, особенно пассивных, важно правильно спроектировать стек печатной платы, так как для надлежащей работы схем требуется определенный импеданс. Кроме того, печатные СВЧ компоненты обеспечивают распространение электромагнитного поля в линии передачи, и поведение распространения будет зависеть от диэлектрических параметров материала платы. Как только стек будет проработан, можно приступить к проектированию схемы и выбирать дополнительные компоненты системы.

Печатные СВЧ компоненты проектируются путем расчета участков линий передачи для использования в определенных структурах на печатной плате. Линии передачи проектируются таким образом, что будут направлять распространяющиеся волны к компонентам, а также обеспечивать такое поведение, как затухание, усиление, фильтрация, резонанс и излучение (например, антенна). Преобразование импеданса на шлейфах, интерфейсах с компонентами и антеннами часто требуется для преодоления несоответствия импеданса, наблюдаемого при распространении радиочастотного сигнала. Различные печатные структуры, выполняющие эти функции, подробно описываются во многих учебниках.

Примеры структур и компонентов, используемых в СВЧ-схемах и печатных платах:

  • Пассивные и активные фильтры
  • Аттенюаторы
  • Циркуляторы
  • Усилители
  • Разветвитель, делитель и сумматор СВЧ мощности
  • Антенны
  • Резонаторы
  • Волноводные резонаторы

После того как вы добавите оставшиеся компоненты, нужно будет создать схемы контуров, прежде чем приступать к компоновке. Процесс размещения СВЧ цепей в схеме такой же, как и для простых цифровых схем. Моделирование цепей также важно при начальном радиочастотном проектировании, поскольку необходимо оценить электрические функциональные возможности системы, прежде чем создавать топологию печатной платы. Обычно это выполняется с использованием SPICE моделирования, печатные элементы на плате определяются в SPICE как объекты линий передачи. Лучшие схемные редакторы будут иметь возможность моделирования объектов линий передач, чтобы вы могли точно предсказывать электромагнитные свойства вашей будущей печатной платы.

Инструменты для компоновки СВЧ-плат

После завершения проектирования СВЧ-схемы и ее обработки инструментами моделирования в требуемом диапазоне частот она будет готова для физической компоновки. Разработчикам радиочастотных печатных плат часто требуется применять ручной подход к тщательному проектированию СВЧ-соединений, при этом соблюдая стандартные правила проектирования высокочастотных компонентов, такие как минимизация переходных отверстий и длины проводников. Любая высокочастотная цепь, которая появится на печатной плате, должна быть спроектирована с учетом целевого импеданса и геометрических допусков. В связи с этим ваши инструменты САПР должны использовать правила электрического проектирования, чтобы обеспечить соответствие этим целевым значениям.

Если у вас также есть цифровые компоненты, которые должны взаимодействовать с СВЧ-устройствами, их необходимо разместить в компоновке печатной платы с помощью того же набора инструментов. Аккуратное размещение и надлежащая конструкция стека помогут предотвратить помехи, нарушающие работу СВЧ-устройства и способствующие перехвату сигналов. Здесь также могут быть полезны инструменты 3D-проектирования, поскольку некоторые СВЧ системы являются многоплатными, и перед подготовкой к производству необходимо проверить всю сборку.

Выполняйте компоновку ваших устройств с помощью лучших средств проектирования печатных плат
Выполняйте компоновку ваших устройств с помощью лучших средств проектирования печатных плат

При необходимости создавать передовые СВЧ системы, которые также обеспечивают целостность сигнала, вам понадобится полный набор инструментов моделирования схем, инструменты для трассировки и компоновки печатных плат, а также инструмент для проектирования стека слоев, который поможет достичь нужных значений целевого импеданса. Независимо от того, нужно ли вам разработать усилитель низких частот для перехвата сигналов, радиочастотный усилитель для передачи сигналов или комплексное соединение с уникальной трассировкой и структурой переходов, лучшие инструменты для проектирования печатных плат помогут сохранить гибкость по мере создания топологии СВЧ печатной платы.