Λόγω του μικρού μεγέθους και του μεγέθους, δεν υπάρχουν σχεδόν υπάρχοντα πρότυπα τυπωμένων κυκλωμάτων για την αυξανόμενη αγορά φορητού IoT. Πριν βγει από αυτά τα πρότυπα, έπρεπε να βασιστούμε στη γνώση και την παραγωγική εμπειρία που έμαθε στην ανάπτυξη του σκάφους και να σκεφτούμε πώς να τις εφαρμόσουμε σε μοναδικές αναδυόμενες προκλήσεις. Υπάρχουν τρεις τομείς που απαιτούν την ιδιαίτερη προσοχή μας. Είναι: τα υλικά επιφάνειας κυκλωμάτων, ο σχεδιασμός RF/μικροκυμάτων και οι γραμμές μεταφοράς RF.

Υλικό PCB

Το "PCB" αποτελείται γενικά από ελάσματα, τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν από εποξειδικά ενισχυμένα με ίνες (FR4), πολυιμίδιο ή Rogers υλικά ή άλλα υλικά. Το μονωτικό υλικό μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων ονομάζεται prepreg.

Οι συσκευές που μπορούν να φορτωθούν απαιτούν υψηλή αξιοπιστία, οπότε όταν οι σχεδιαστές PCB αντιμετωπίζουν την επιλογή της χρήσης FR4 (το πιο οικονομικά αποδοτικό υλικό παραγωγής PCB) ή πιο προηγμένα και πιο ακριβά υλικά, αυτό θα αποτελέσει πρόβλημα.

Εάν οι εφαρμογές PCB που φορούν απαιτούν υλικά υψηλής ταχύτητας, υψηλής συχνότητας, το FR4 ενδέχεται να μην είναι η καλύτερη επιλογή. Η διηλεκτρική σταθερά (DK) του FR4 είναι 4,5, η διηλεκτρική σταθερά του πιο προηγμένου υλικού σειράς Rogers 4003 είναι 3,55 και η διηλεκτρική σταθερά της σειράς Brother Rogers 4350 είναι 3,66.

"Η διηλεκτρική σταθερά ενός πλαστικού αναφέρεται στην αναλογία της χωρητικότητας ή της ενέργειας μεταξύ ενός ζεύγους αγωγών κοντά στο laminate προς την χωρητικότητα ή την ενέργεια μεταξύ του ζεύγους αγωγών σε κενό.

Υπό κανονικές συνθήκες, ο αριθμός των στρωμάτων PCB για φορητές συσκευές κυμαίνεται από 4 έως 8 στρώματα. Η αρχή της κατασκευής στρώματος είναι ότι εάν πρόκειται για PCB 8 στρώσεων, θα πρέπει να είναι σε θέση να παρέχει αρκετά στρώματα εδάφους και ισχύος και σάντουιτς το στρώμα καλωδίωσης. Με αυτόν τον τρόπο, το φαινόμενο κυματισμού στο crosstalk μπορεί να διατηρηθεί στο ελάχιστο και η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI) μπορεί να μειωθεί σημαντικά.

Στο στάδιο σχεδιασμού διάταξης της πλακέτας κυκλώματος, το σχέδιο διάταξης είναι γενικά να τοποθετήσει ένα μεγάλο στρώμα εδάφους κοντά στο στρώμα κατανομής ισχύος. Αυτό μπορεί να σχηματίσει ένα πολύ χαμηλό φαινόμενο κυματισμού και ο θόρυβος του συστήματος μπορεί επίσης να μειωθεί σε σχεδόν μηδέν. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για το υποσύστημα ραδιοσυχνοτήτων.

Σε σύγκριση με το υλικό Rogers, το FR4 έχει υψηλότερο συντελεστή απόρριψης (DF), ειδικά σε υψηλή συχνότητα. Για υψηλότερες επιδόσεις FR4 laminates, η τιμή DF είναι περίπου 0,002, η οποία είναι μια τάξη μεγέθους καλύτερα από το συνηθισμένο FR4. Ωστόσο, η στοίβα του Rogers είναι μόνο 0,001 ή λιγότερο. Όταν χρησιμοποιείται υλικό FR4 για εφαρμογές υψηλής συχνότητας, θα υπάρξει σημαντική διαφορά στην απώλεια εισαγωγής. Η απώλεια εισαγωγής ορίζεται ως η απώλεια ισχύος του σήματος από το σημείο Α στο σημείο Β όταν χρησιμοποιείται FR4, Rogers ή άλλα υλικά.

Δημιουργία προβλημάτων

Το φορητό PCB απαιτεί αυστηρότερο έλεγχο σύνθετης αντίστασης. Αυτός είναι ένας σημαντικός παράγοντας για φορητές συσκευές. Η αντιστοίχιση αντίστασης μπορεί να παράγει καθαρότερη μετάδοση σήματος. Νωρίτερα, η τυπική ανοχή για ίχνη μεταφοράς σήματος ήταν ± 10%. Αυτός ο δείκτης προφανώς δεν είναι αρκετά καλός για τα κυκλώματα υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας. Η τρέχουσα απαίτηση είναι ± 7% και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και ± 5% ή λιγότερο. Αυτή η παράμετρος και άλλες μεταβλητές θα επηρεάσουν σοβαρά την κατασκευή αυτών των φορητών PCB με ιδιαίτερα αυστηρό έλεγχο σύνθετης αντίστασης, περιορίζοντας έτσι τον αριθμό των επιχειρήσεων που μπορούν να τις κατασκευάσουν.

Η διηλεκτρική σταθερά ανοχή του πλαστικού που κατασκευάζεται από υλικά Rogers UHF διατηρείται γενικά σε ± 2%και ορισμένα προϊόντα μπορούν να φθάσουν ακόμη και στο ± 1%. Αντίθετα, η διηλεκτρική σταθερά ανοχή του laminate FR4 είναι τόσο υψηλή όσο 10%. Ως εκ τούτου, συγκρίνετε αυτά τα δύο υλικά μπορεί να βρεθεί ότι η απώλεια εισαγωγής του Rogers είναι ιδιαίτερα χαμηλή. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά FR4, η απώλεια μετάδοσης και η απώλεια εισαγωγής της στοίβας Rogers είναι μισή χαμηλότερη.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, το κόστος είναι το πιο σημαντικό. Ωστόσο, ο Rogers μπορεί να προσφέρει σχετικά χαμηλή απώλεια πολυστρωματικής απόδοσης σε αποδεκτό σημείο τιμής. Για εμπορικές εφαρμογές, ο Rogers μπορεί να γίνει σε ένα υβριδικό PCB με εποξειδικό FR4, ορισμένα στρώματα από τα οποία χρησιμοποιούν υλικό Rogers και άλλα στρώματα χρησιμοποιούν FR4.

Όταν επιλέγετε μια στοίβα Rogers, η συχνότητα είναι η κύρια σκέψη. Όταν η συχνότητα υπερβαίνει τα 500MHz, οι σχεδιαστές PCB τείνουν να επιλέγουν υλικά Rogers, ειδικά για κυκλώματα RF/μικροκυμάτων, επειδή αυτά τα υλικά μπορούν να παρέχουν υψηλότερες επιδόσεις όταν τα ανώτερα ίχνη ελέγχονται αυστηρά από αντίσταση.

Σε σύγκριση με το υλικό FR4, το υλικό Rogers μπορεί επίσης να παρέχει χαμηλότερη διηλεκτρική απώλεια και η διηλεκτρική του σταθερά είναι σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Επιπλέον, το υλικό Rogers μπορεί να παρέχει την ιδανική απόδοση απώλειας χαμηλής εισαγωγής που απαιτείται από τη λειτουργία υψηλής συχνότητας.

Ο συντελεστής θερμικής επέκτασης (CTE) των υλικών σειράς Rogers 4000 έχει εξαιρετική σταθερότητα διαστάσεων. Αυτό σημαίνει ότι σε σύγκριση με το FR4, όταν το PCB υφίσταται κρύο, ζεστό και πολύ ζεστό κύκλοι συγκόλλησης, η θερμική διαστολή και η συστολή της πλακέτας κυκλώματος μπορεί να διατηρηθεί σε σταθερό όριο υπό υψηλότερη συχνότητα και υψηλότερους κύκλους θερμοκρασίας.

Στην περίπτωση της μικτής στοίβαξης, είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί η κοινή τεχνολογία διαδικασίας κατασκευής για να αναμειγνύεται μαζί Rogers και υψηλής απόδοσης FR4, επομένως είναι σχετικά εύκολο να επιτευχθεί υψηλή απόδοση κατασκευής. Το Rogers Stack δεν απαιτεί ειδική διαδικασία προετοιμασίας.

Το Common FR4 δεν μπορεί να επιτύχει πολύ αξιόπιστες ηλεκτρικές επιδόσεις, αλλά τα υλικά FR4 υψηλής απόδοσης έχουν καλά χαρακτηριστικά αξιοπιστίας, όπως υψηλότερο TG, σχετικά χαμηλό κόστος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από απλό σχεδιασμό ήχου έως πολύπλοκες εφαρμογές μικροκυμάτων.

Σχεδιασμός σχεδιασμού RF/μικροκυμάτων

Η φορητή τεχνολογία και η Bluetooth έχουν ανοίξει το δρόμο για εφαρμογές RF/Microwave σε φορητές συσκευές. Το σημερινό εύρος συχνοτήτων γίνεται όλο και πιο δυναμική. Πριν από μερικά χρόνια, πολύ υψηλή συχνότητα (VHF) ορίστηκε ως 2GHz ~ 3GHz. Αλλά τώρα μπορούμε να δούμε εφαρμογές εξαιρετικά υψηλής συχνότητας (UHF) που κυμαίνονται από 10GHz έως 25GHz.

Ως εκ τούτου, για το φορητό PCB, το τμήμα RF απαιτεί περισσότερη προσοχή στα ζητήματα καλωδίωσης και τα σήματα πρέπει να χωρίζονται χωριστά και τα ίχνη που παράγουν σήματα υψηλής συχνότητας πρέπει να παρατηρούνται μακριά από το έδαφος. Άλλες εκτιμήσεις περιλαμβάνουν: την παροχή φίλτρου παράκαμψης, επαρκούς πυκνωτών αποσύνδεσης, γείωσης και σχεδιασμού της γραμμής μετάδοσης και της γραμμής επιστροφής για να είναι σχεδόν ίση.

Το φίλτρο παράκαμψης μπορεί να καταστείλει την επίδραση κυματισμού του περιεχομένου θορύβου και της παρεμβολής. Οι πυκνωτές αποσύνδεσης πρέπει να τοποθετηθούν πιο κοντά στις ακίδες συσκευής που μεταφέρουν σήματα ισχύος.

Οι γραμμές μετάδοσης υψηλής ταχύτητας και τα κυκλώματα σήματος απαιτούν τοποθετημένο ένα στρώμα εδάφους μεταξύ των σημάτων στρώματος ισχύος για να εξομαλύνει το jitter που παράγεται από σήματα θορύβου. Σε υψηλότερες ταχύτητες σήματος, οι αναντιστοιχίες μικρής αντίστασης θα προκαλέσουν μη ισορροπημένη μετάδοση και λήψη σημάτων, με αποτέλεσμα την παραμόρφωση. Ως εκ τούτου, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο πρόβλημα αντιστοίχισης αντίστασης που σχετίζεται με το σήμα ραδιοσυχνότητας, επειδή το σήμα ραδιοσυχνότητας έχει υψηλή ταχύτητα και ειδική ανοχή.

Οι γραμμές μεταφοράς RF απαιτούν ελεγχόμενη αντίσταση προκειμένου να μεταδοθούν σήματα RF από ένα συγκεκριμένο υπόστρωμα IC στο PCB. Αυτές οι γραμμές μεταφοράς μπορούν να εφαρμοστούν στο εξωτερικό στρώμα, στο ανώτερο στρώμα και στο κάτω στρώμα ή μπορούν να σχεδιαστούν στο μεσαίο στρώμα.

Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια της διάταξης σχεδιασμού PCB RF είναι η γραμμή μικροσφαιριδίων, η πλωτή γραμμή ταινιών, ο κυματοδηγός Coplanar ή η γείωση. Η γραμμή microstrip αποτελείται από σταθερό μήκος μετάλλου ή ίχνη και ολόκληρο το επίπεδο γείωσης ή μέρος του επιπέδου εδάφους ακριβώς κάτω από αυτό. Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση στη γενική δομή της γραμμής microstrip κυμαίνεται από 50Ω έως 75Ω.

Η πλωτή λωρίδα είναι μια άλλη μέθοδος καλωδίωσης και καταστολής θορύβου. Αυτή η γραμμή αποτελείται από καλωδίωση σταθερού πλάτους στο εσωτερικό στρώμα και ένα μεγάλο επίπεδο γείωσης πάνω και κάτω από τον κεντρικό αγωγό. Το επίπεδο εδάφους είναι σάντουιτς μεταξύ του επιπέδου ισχύος, ώστε να μπορεί να προσφέρει ένα πολύ αποτελεσματικό αποτέλεσμα γείωσης. Αυτή είναι η προτιμώμενη μέθοδος για την καλωδίωση σήματος PCB RF.

Ο κυματοδηγός Coplanar μπορεί να παρέχει καλύτερη απομόνωση κοντά στο κύκλωμα RF και το κύκλωμα που πρέπει να δρομολογηθεί πιο κοντά. Αυτό το μέσο αποτελείται από κεντρικό αγωγό και αεροπλάνα εδάφους σε κάθε πλευρά ή κάτω. Ο καλύτερος τρόπος για να μεταδώσετε τα σήματα ραδιοσυχνοτήτων είναι η αναστολή των γραμμών ταινιών ή των κυματοδηγών Coplanar. Αυτές οι δύο μέθοδοι μπορούν να παρέχουν καλύτερη απομόνωση μεταξύ των ιχνών σήματος και RF.

Συνιστάται η χρήση του λεγόμενου "μέσω φράχτη" και στις δύο πλευρές του κυματοδηγού Coplanar. Αυτή η μέθοδος μπορεί να παράσχει μια σειρά από βήματα εδάφους σε κάθε μεταλλικό επίπεδο εδάφους του κεντρικού αγωγού. Το κύριο ίχνος που τρέχει στη μέση έχει φράχτες σε κάθε πλευρά, παρέχοντας έτσι μια συντόμευση για το ρεύμα επιστροφής στο έδαφος παρακάτω. Αυτή η μέθοδος μπορεί να μειώσει το επίπεδο θορύβου που σχετίζεται με την υψηλή κυμαινόμενη επίδραση του σήματος RF. Η διηλεκτρική σταθερά του 4.5 παραμένει η ίδια με το υλικό FR4 του prepreg, ενώ η διηλεκτρική σταθερά του prepreg - από το microstrip, stripline ή μετατόπιση stripline - είναι περίπου 3,8 έως 3,9.

Σε ορισμένες συσκευές που χρησιμοποιούν ένα επίπεδο εδάφους, τα τυφλά VIA μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της απόδοσης αποσύνδεσης του πυκνωτή ισχύος και την παροχή μιας διαδρομής διακλάδωσης από τη συσκευή στο έδαφος. Η διαδρομή διακλάδωσης προς το έδαφος μπορεί να συντομεύσει το μήκος της VIA. Αυτό μπορεί να επιτύχει δύο σκοπούς: όχι μόνο δημιουργείτε μια διακλάδωση ή έδαφος, αλλά και μειώνετε την απόσταση μετάδοσης των συσκευών με μικρές περιοχές, η οποία αποτελεί σημαντικό παράγοντα σχεδιασμού RF.