Cómo reducir el efecto de RF en el PCB

La interconexión del sistema de placa incluye: chip a placa, interconexión dentro de la placa y tres tipos de interconexiones entre la PCB y los dispositivos externos. En el diseño de RF, las características electromagnéticas en el punto de interconexión es uno de los principales problemas que enfrenta el diseño de ingeniería. Este documento presenta las diversas técnicas de los tres tipos anteriores de diseño de interconexión, incluidos los métodos de instalación del dispositivo, el aislamiento del cableado y las medidas para reducir la inductancia del cable. y muchos más.

Ahora hay señales de que los diseños de las placas de circuito impreso son cada vez más frecuentes. A medida que la velocidad continúa aumentando, el ancho de banda requerido para la transmisión también hace que el límite superior de la frecuencia de la señal alcance 1 GHz o incluso más. Aunque esta tecnología de señal de alta frecuencia supera con creces el rango de la tecnología de ondas milimétricas (30 GHz), involucra RF y tecnología de microondas de gama baja.

Los métodos de ingeniería de RF deben ser capaces de manejar los fuertes efectos del campo electromagnético producidos típicamente en bandas de frecuencia más altas. Estos campos electromagnéticos pueden inducir señales en líneas de señal adyacentes o líneas de PCB, causando interferencias molestas (interferencia y ruido total) y pueden comprometer el rendimiento del sistema. La pérdida de retorno se debe principalmente a la falta de coincidencia de impedancia, que tiene el mismo efecto en la señal que el ruido aditivo y la interferencia.

Hay dos efectos negativos de la alta pérdida de retorno:

1. La reflexión de la señal de regreso a la fuente de señal aumentará el ruido del sistema, lo que hará más difícil para el receptor distinguir el ruido de la señal;

2. Cualquier señal reflejada básicamente degradará la calidad de la señal debido a que la forma de la señal de entrada cambia.

Aunque el sistema digital solo procesa las señales 1 y 0 y tiene muy buena tolerancia a fallas, los armónicos que se generan cuando aumenta el pulso de alta velocidad causarán que cuanto más alta sea la frecuencia, más débil será la señal. Aunque las técnicas de corrección de errores hacia adelante pueden eliminar algunos de los efectos negativos, parte del ancho de banda del sistema se utiliza para la redundancia de la transmisión, lo que reduce el rendimiento del sistema. Una mejor solución es permitir que el efecto de RF ayude en lugar de restar valor a la integridad de la señal. Se recomienda que la pérdida de retorno total en la frecuencia más alta (generalmente el peor punto) del sistema digital sea de -25 dB, lo que equivale a un VSWR de 1.1.

El objetivo del diseño de PCB es ser más pequeño, más rápido y menos costoso. Para RFPCB, las señales de alta velocidad a veces limitan la miniaturización de los diseños de PCB. Actualmente, el método principal para resolver el problema de la interferencia es realizar la gestión de la capa de tierra, el espacio entre el cableado y la reducción de la inductancia del cable (capacidad de estudio). El método principal para reducir la pérdida de retorno es realizar el ajuste de impedancia. Este método implica una gestión eficiente del material aislante y el aislamiento de la señal activa y las líneas de tierra, especialmente entre las líneas de señal en las que el estado hace la transición y la tierra.

Dado que el punto de interconexión es el eslabón más débil de la cadena de circuitos, en el diseño de RF, las propiedades electromagnéticas en el punto de interconexión son los principales problemas que enfrenta el diseño de ingeniería. Es necesario examinar cada punto de interconexión y resolver los problemas existentes. La interconexión del sistema de la placa incluye tres tipos de interconexiones, como el chip a la placa, la interconexión dentro de la PCB y la entrada / salida de la señal entre la PCB y los dispositivos externos.

Primero, la interconexión entre el chip y la PCB.

Pentium IV y chips de alta velocidad con una gran cantidad de puntos de interconexión de entrada / salida están disponibles. En lo que respecta al chip en sí, su rendimiento es confiable y la tasa de procesamiento ha sido capaz de alcanzar 1 GHz. En el reciente Simposio de interconexión de GHz, lo más emocionante es que la forma de lidiar con el creciente número y la frecuencia de I / O es bien conocida. El principal problema con las interconexiones de chip a PCB es que las densidades de interconexión demasiado altas pueden hacer que la estructura básica del material de PCB sea un factor que limite el aumento de la densidad de interconexión. Se propuso una solución innovadora en la conferencia, donde se usaron transmisores inalámbricos locales dentro del chip para transmitir a tableros adyacentes.

Independientemente de si esta solución es efectiva o no, los participantes son muy claros: en términos de aplicaciones de alta frecuencia, la tecnología de diseño de IC está muy por delante de la tecnología de diseño de PCB.

En segundo lugar, la interconexión dentro del PCB.

Las técnicas y métodos para el diseño de PCB de alta frecuencia son los siguientes:

1. La esquina de la línea de transmisión debe adoptar un ángulo de 45 ° para reducir la pérdida de retorno;

2. Es necesario utilizar una placa de circuito aislado de alto rendimiento cuyo valor de constante de aislamiento se controle estrictamente según el nivel. Este método facilita la gestión eficiente del campo electromagnético entre el material aislante y el cableado adyacente.

3. Hay un inductor roscado en el cable que sobresale, y se debe evitar el uso de componentes con plomo. En entornos de alta frecuencia, es mejor utilizar componentes de montaje en superficie.

4. Para la señal a través, evite usar un procesamiento vía en la placa sensible porque este proceso puede causar una inductancia del cable en la vía. Si se utiliza una vía en un tablero de 20 capas para conectar las capas 1 a 3, la inductancia del cable puede afectar de 4 a 19 capas.

5. Proporcionar una capa de puesta a tierra rica. Estos planos de tierra se conectan mediante orificios moldeados para evitar los efectos de campos electromagnéticos tridimensionales en la placa.

6, para elegir el proceso de niquelado no electrolítico o chapado en oro de inmersión, no utilice el método HASL para el chapado. Esta superficie enchapada proporciona un mejor efecto de piel para corrientes de alta frecuencia (Figura 2). Además, este recubrimiento altamente soldable requiere menos cables y ayuda a reducir la contaminación ambiental.

7. La máscara de soldadura evita el flujo de pasta de soldadura. Sin embargo, debido a la incertidumbre del grosor y la naturaleza desconocida de las propiedades de aislamiento, cubrir toda la superficie de la placa con el material resistente a la soldadura dará lugar a un gran cambio en la energía electromagnética en el diseño de microcinta. Una presa de soldadura se utiliza generalmente como una máscara de soldadura.

8, para mejorar las especificaciones de diseño de PCB para grabado de alta precisión. Considere el error de ancho de línea total de +/- 0, 0007 pulgadas, administre el corte y la sección transversal de la forma del cableado y especifique las condiciones de enchapado de la pared lateral del cableado. La gestión general de la geometría del cableado (cable) y la superficie del revestimiento es importante para abordar los problemas de efecto de piel asociados con las frecuencias de microondas y para implementar estas especificaciones. Si no está familiarizado con estos métodos, consulte a un ingeniero de diseño experimentado que haya trabajado en el diseño de placas de circuitos militares de microondas. También puede discutir con ellos el rango de precios que puede pagar. Por ejemplo, un diseño de microcinta coplanar con respaldo de cobre es más económico que un diseño de línea de banda, por lo que puede analizarlos para un mejor asesoramiento. Es posible que los buenos ingenieros no estén acostumbrados a considerar los problemas de costos, pero sus recomendaciones también son bastante útiles. Ahora es un trabajo a largo plazo capacitar a jóvenes ingenieros que no están familiarizados con los efectos de RF y carecen de experiencia en el manejo de los efectos de RF.

Además, se pueden usar otras soluciones, como el tipo de computadora mejorado, con capacidades de procesamiento de efectos de RF.

En tercer lugar, la PCB y los dispositivos externos están interconectados.

Ahora se puede suponer que hemos resuelto todos los problemas de gestión de señales en la placa y en la interconexión de componentes discretos. Entonces, ¿cómo solucionas el problema de entrada / salida de señal de la placa a los cables del dispositivo remoto? Trompeter Electronics, un innovador en tecnología de cable coaxial, está trabajando para resolver este problema y ha logrado un progreso significativo (Figura 3). Además, observe el campo electromagnético que se muestra en la Figura 4. En este caso, administramos la conversión entre el microstrip y el cable coaxial. En el cable coaxial, el plano de tierra está entrelazado anularmente y espaciado uniformemente. En el microstrip, el plano de tierra está debajo de la línea activa. Esto introduce algunos efectos de borde que deben entenderse, predecirse y considerarse en el momento del diseño. Por supuesto, este desajuste también puede causar pérdida de retorno, que debe minimizarse para evitar el ruido y la interferencia de la señal.

La gestión de los problemas de impedancia dentro de una placa no es un problema de diseño despreciable. La impedancia comienza en la superficie de la placa, luego pasa a través de una unión de soldadura al conector y termina en el cable coaxial. Como la impedancia varía con la frecuencia, cuanto más alta es la frecuencia, más difícil es manejar la impedancia. El problema de usar frecuencias más altas para transmitir señales a través de banda ancha parece ser un problema importante en el diseño.