Miksi RF- ja mikroaaltopiirilevyjen suunnittelu on niin vaikeaa?

Yksinkertaisin selitys on, että RF- ja mikroaaltopiirilevyt on suunniteltu toimimaan korkeilla taajuuksilla, joten suunnitteluprosessi on hieman monimutkaisempi. Sen lisäksi, että ne ovat herkempiä signaalikohinalle, ne vaativat johtavaa materiaalia ja niissä on teräviä kulmia.

RF- ja mikroaaltopiirit on suunniteltu toimimaan korkeataajuisten signaalien kanssa.

RF- ja mikroaaltopiirilevyt ovat erikoislevyjä, jotka on suunniteltu toimimaan korkeataajuisten signaalien kanssa. Nämä levyt valmistetaan usein matalan CTE:n materiaaleista, mikä tekee niistä vakaampia korkeissa lämpötiloissa. Ne mahdollistavat myös useiden kerrosten helpon kohdistamisen. Lisäksi niissä on monikerroksinen piirilevyjen pinoamisrakenne, joka auttaa alentamaan kokoonpanokustannuksia ja maksimoimaan suorituskyvyn. Korkeataajuussignaalit ovat hyvin herkkiä kohinalle, ja suunnittelijoiden on varmistettava, että piirilevyt kestävät tätä kohinaa.

Korkean permittiivisyyden omaava substraatti on olennainen RF PCB:lle. Suhteellinen permittiivisyys on dielektrisyysvakion ja tyhjiöpermittiivisyyden suhde. Tämä ominaisuus on tärkeä, koska se minimoi piirilevyllä tarvittavan tilan määrän. Lisäksi substraattimateriaalien on oltava vakaita sekä korkeissa että matalissa lämpötiloissa, ja niiden on kestettävä kosteutta.

Ne ovat herkempiä signaalikohinalle

Korkeataajuussignaalien kohina on yleinen ongelma RF- ja mikroaaltopiirilevyillä, ja suunnittelijoiden on oltava erityisen varovaisia sen vaikutusten vähentämiseksi. RF- ja mikroaaltosignaaleilla on paljon pienempi toleranssi signaalikohinaa kohtaan kuin nopeilla digitaalisilla signaaleilla, ja ne on muotoiltava siten, että sen vaikutukset minimoidaan. Jotta signaalikohinan reitti olisi katkeamaton, piirilevyllä on käytettävä maatasoa.

Signaalikohinalla voi olla useita kielteisiä vaikutuksia radio- ja mikroaaltopiireihin. Ensinnäkin RF- ja mikroaaltosignaalit ovat herkempiä signaalikohinalle, koska ne kulkevat pienimmän vastuksen reittiä pitkin. Signaalit, joilla on korkeammat taajuudet, kulkevat yleensä matalan induktanssin polkuja, mikä voi aiheuttaa signaalikohinaa ja soimista. Siksi on tärkeää varmistaa jatkuva maataso ohjaimesta vastaanottimeen.

Ne vaativat johtavaa materiaalia lämmön haihduttamiseksi.

Kun RF- tai mikroaaltopiirilevyyn syötetään virtaa, johtavan materiaalin on johdettava syntyvä lämpö pois. Tämä tapahtuu noudattamalla yleistä lämpövirtamallia, jossa lämpö virtaa lähteestä matalamman lämpötilan alueelle. RF-sovelluksissa käytetään tyypillisesti kuparin kaltaista johtavaa materiaalia, koska se pystyy johtamaan lämpöä häviöttömästi.

Piirilevyn substraatin dielektrisyysvakio (Dk) määrittää, kuinka hyvin se johtaa lämpöä. Johtavasta materiaalista valmistetuilla piirilevyillä on alhaisempi Dk-arvo kuin inertistä materiaalista valmistetuilla. Korkeat Dk-arvot johtavat pienempiin piirilevyihin.

Ne edellyttävät useita suunnittelusääntöjä

RF- ja mikroaaltopiirilevyillä on useita suunnittelusääntöjä, joita on noudatettava optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Esimerkiksi RF/mikroaaltopiirilevyn asettelussa on otettava huomioon johtimien välisen impedanssin sovittamisen tarve, mikä on kriittistä RF:n kanssa toimiessa. Lisäksi piirin asettelussa on minimoitava ristikkäisviestinnän riski, joka on energian vaihtoa johtimien välillä.

Toinen tärkeä sääntö RF/mikroaaltopiirilevyä suunniteltaessa on, että alustamateriaalin on voitava absorboida alhainen kosteus. Tämä auttaa vähentämään piirilevyn tarvitsemaa tilaa. Toinen substraattimateriaaleihin liittyvä näkökohta on suhteellinen permittiivisyys, joka on dielektrisyysvakion ja tyhjiöpermittiviteetin suhde. Ihannetapauksessa RF/mikroaaltolevyjen piirilevymateriaalien suhteellisen permittiivisyyden pitäisi olla riittävän korkea, jotta nopeat yhteydet ovat mahdollisia ilman, että linjan leveys ja impedanssitoleranssit kärsivät. Tämä edellyttää alustavien parametrien ja materiaalien huolellista analysointia, joka olisi määritettävä piirilevyn kaavion avulla.