به دلیل اندازه و اندازه کوچک، تقریباً هیچ استانداردی برای برد مدار چاپی موجود برای بازار رو به رشد اینترنت اشیاء پوشیدنی وجود ندارد. قبل از ارائه این استانداردها، ما باید به دانش و تجربه تولیدی که در توسعه سطح هیئت مدیره آموخته ایم تکیه می کردیم و به نحوه اعمال آنها در چالش های نوظهور بی نظیر فکر می کردیم. سه حوزه وجود دارد که توجه ویژه ما را می طلبد. آنها عبارتند از: مواد سطح برد مدار، طراحی RF/مایکروویو و خطوط انتقال RF.

مواد PCB

"PCB" عموماً از ورقه‌های ورقه‌ای تشکیل شده است که ممکن است از اپوکسی تقویت‌شده با الیاف (FR4)، پلی‌آمید یا مواد راجرز یا سایر مواد ورقه‌ای ساخته شوند. مواد عایق بین لایه های مختلف را پیش آغشته می گویند.

دستگاه‌های پوشیدنی به قابلیت اطمینان بالایی نیاز دارند، بنابراین وقتی طراحان PCB با انتخاب استفاده از FR4 (مقرون‌به‌صرفه‌ترین ماده تولید PCB) یا مواد پیشرفته‌تر و گران‌تر مواجه می‌شوند، این مسئله به یک مشکل تبدیل می‌شود.

اگر برنامه های PCB پوشیدنی به مواد با سرعت بالا و فرکانس بالا نیاز دارند، FR4 ممکن است بهترین انتخاب نباشد. ثابت دی الکتریک (Dk) FR4 4.5 است، ثابت دی الکتریک مواد پیشرفته تر سری Rogers 4003 3.55 و ثابت دی الکتریک سری برادر Rogers 4350 3.66 است.

ثابت دی الکتریک یک ورقه ورقه به نسبت ظرفیت یا انرژی بین یک جفت رسانا در نزدیکی ورقه ورقه به ظرفیت یا انرژی بین جفت هادی در خلاء اشاره دارد. در فرکانس های بالا، بهتر است افت کمی داشته باشید. بنابراین راجر 4350 با ثابت دی الکتریک 3.66 برای کاربردهای فرکانس بالاتر نسبت به FR4 با ثابت دی الکتریک 4.5 مناسب تر است.

در شرایط عادی، تعداد لایه های PCB برای دستگاه های پوشیدنی از 4 تا 8 لایه متغیر است. اصل لایه سازی این است که اگر PCB 8 لایه است، باید بتواند لایه های زمین و برق کافی را فراهم کند و لایه سیم کشی را ساندویچ کند. به این ترتیب، می توان اثر امواج در تداخل را به حداقل رساند و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را به میزان قابل توجهی کاهش داد.

در مرحله طراحی چیدمان برد مدار، طرح چیدمان عموماً قرار دادن یک لایه زمین بزرگ نزدیک به لایه توزیع برق است. این می تواند یک اثر موج دار بسیار کم ایجاد کند و همچنین نویز سیستم را می توان تقریباً به صفر کاهش داد. این امر به ویژه برای زیرسیستم فرکانس رادیویی مهم است.

در مقایسه با مواد راجرز، FR4 دارای ضریب اتلاف (Df) بالاتری است، به خصوص در فرکانس بالا. برای لمینت های FR4 با کارایی بالاتر، مقدار Df حدود 0.002 است که یک مرتبه بهتر از FR4 معمولی است. با این حال، پشته راجرز تنها 0.001 یا کمتر است. هنگامی که از مواد FR4 برای کاربردهای فرکانس بالا استفاده می شود، تفاوت قابل توجهی در از دست دادن درج وجود خواهد داشت. تلفات درج به عنوان تلفات توان سیگنال از نقطه A به نقطه B در هنگام استفاده از FR4، Rogers یا مواد دیگر تعریف می شود.

مشکلات ایجاد کند

PCB پوشیدنی نیاز به کنترل امپدانس شدیدتری دارد. این یک عامل مهم برای دستگاه های پوشیدنی است. تطبیق امپدانس می تواند انتقال سیگنال تمیزتری را ایجاد کند. پیش از این، تحمل استاندارد برای ردیابی سیگنال حامل 10 ± بود. واضح است که این نشانگر برای مدارهای پر فرکانس و پرسرعت امروزی به اندازه کافی خوب نیست. نیاز فعلی 7±٪ و در برخی موارد حتی 5±٪ یا کمتر است. این پارامتر و سایر متغیرها به طور جدی بر ساخت این PCB های پوشیدنی با کنترل امپدانس شدید تأثیر می گذارد و در نتیجه تعداد مشاغلی را که می توانند آنها را تولید کنند محدود می کند.

تحمل ثابت دی الکتریک ورقه ورقه ساخته شده از مواد UHF راجرز به طور کلی در ± 2٪ حفظ می شود و برخی از محصولات حتی می توانند به ± 1٪ برسد. در مقابل، تحمل ثابت دی الکتریک لمینت FR4 تا 10 درصد است. بنابراین، با مقایسه این دو ماده می توان دریافت که تلفات درج راجرز بسیار کم است. در مقایسه با مواد سنتی FR4، تلفات انتقال و از دست دادن درج در پشته راجرز نصف کمتر است.

در بیشتر موارد، هزینه مهم ترین است. با این حال، راجرز می تواند عملکرد لمینیت با فرکانس بالا نسبتا کم با قیمت قابل قبول ارائه دهد. برای کاربردهای تجاری، راجرز را می توان به یک PCB هیبریدی با FR4 مبتنی بر اپوکسی تبدیل کرد که برخی از لایه‌های آن از مواد راجرز و لایه‌های دیگر از FR4 استفاده می‌کنند.

هنگام انتخاب یک پشته راجرز، فرکانس توجه اولیه است. هنگامی که فرکانس از 500 مگاهرتز فراتر می رود، طراحان PCB تمایل دارند مواد راجرز را انتخاب کنند، به ویژه برای مدارهای RF/مایکروویو، زیرا این مواد می توانند عملکرد بالاتری را ارائه دهند که ردهای بالایی به شدت توسط امپدانس کنترل شوند.

در مقایسه با مواد FR4، مواد راجرز همچنین می توانند تلفات دی الکتریک کمتری را ارائه دهند و ثابت دی الکتریک آن در محدوده فرکانس وسیعی پایدار است. علاوه بر این، مواد راجرز می‌توانند عملکرد ایده‌آل از دست دادن کم درج مورد نیاز عملیات فرکانس بالا را ارائه دهند.

ضریب انبساط حرارتی (CTE) مواد سری Rogers 4000 دارای ثبات ابعادی عالی است. این بدان معنی است که در مقایسه با FR4، زمانی که PCB تحت چرخه‌های لحیم کاری سرد، گرم و بسیار داغ قرار می‌گیرد، انبساط و انقباض حرارتی برد مدار را می‌توان در یک حد پایدار در چرخه‌های فرکانس بالاتر و دمای بالاتر حفظ کرد.

در مورد انباشته مخلوط، استفاده از فناوری رایج فرآیند تولید برای مخلوط کردن راجرز و FR4 با عملکرد بالا آسان است، بنابراین دستیابی به بازده تولید بالا نسبتا آسان است. پشته راجرز به فرآیند آماده سازی خاصی نیاز ندارد.

FR4 معمولی نمی تواند به عملکرد الکتریکی بسیار قابل اعتمادی دست یابد، اما مواد FR4 با کارایی بالا دارای ویژگی های قابلیت اطمینان خوبی هستند، مانند Tg بالاتر، هنوز هم هزینه نسبتاً کم، و می توانند در طیف گسترده ای از کاربردها، از طراحی ساده صوتی تا کاربردهای مایکروویو پیچیده استفاده شوند. .

ملاحظات طراحی RF/مایکروویو

فناوری قابل حمل و بلوتوث راه را برای کاربردهای RF/مایکروویو در دستگاه های پوشیدنی هموار کرده است. محدوده فرکانس امروزی روز به روز پویاتر می شود. چند سال پیش، فرکانس بسیار بالا (VHF) به عنوان 2GHz~3GHz تعریف شد. اما اکنون می‌توانیم برنامه‌های فرکانس فوق‌العاده (UHF) را بین ۱۰ گیگاهرتز تا ۲۵ گیگاهرتز ببینیم.

بنابراین، برای PCB پوشیدنی، بخش RF نیاز به توجه بیشتری به مسائل سیم کشی دارد و سیگنال ها باید به طور جداگانه جدا شوند و آثاری که سیگنال های فرکانس بالا تولید می کنند باید از زمین دور نگه داشته شوند. ملاحظات دیگر عبارتند از: تهیه فیلتر بای پس، خازن های جداسازی کافی، اتصال زمین و طراحی خط انتقال و خط برگشت تقریباً برابر.

فیلتر دور زدن می تواند اثر موج دار محتوای نویز و تداخل را سرکوب کند. خازن‌های جداکننده باید نزدیک‌تر به پین‌های دستگاه قرار گیرند که سیگنال‌های برق را حمل می‌کنند.

خطوط انتقال پرسرعت و مدارهای سیگنال نیاز به قرار دادن یک لایه زمین بین سیگنال های لایه قدرت دارند تا لرزش ایجاد شده توسط سیگنال های نویز را صاف کند. در سرعت های سیگنال بالاتر، عدم تطابق امپدانس کوچک باعث انتقال و دریافت نامتعادل سیگنال ها و در نتیجه اعوجاج می شود. بنابراین باید به مشکل تطبیق امپدانس مربوط به سیگنال فرکانس رادیویی توجه ویژه ای شود، زیرا سیگنال فرکانس رادیویی دارای سرعت بالا و تحمل خاصی است.

خطوط انتقال RF به امپدانس کنترل شده نیاز دارند تا سیگنال های RF را از یک بستر IC خاص به PCB منتقل کنند. این خطوط انتقال را می توان بر روی لایه بیرونی، لایه بالا و لایه پایین اجرا کرد و یا در لایه میانی طراحی کرد.

روش های مورد استفاده در طرح طراحی PCB RF عبارتند از: خط میکرو نوار، خط نوار شناور، موجبر همسطح یا زمین. خط میکرواستریپ شامل طول ثابتی از فلز یا آثار و کل صفحه زمین یا بخشی از صفحه زمین مستقیماً زیر آن است. امپدانس مشخصه در ساختار خط کلی میکرواستریپ از 50Ω تا 75Ω متغیر است.

نوار شناور روش دیگری برای سیم کشی و سرکوب صدا است. این خط از سیم کشی با عرض ثابت در لایه داخلی و یک صفحه زمین بزرگ در بالا و پایین هادی مرکزی تشکیل شده است. صفحه زمین بین صفحه قدرت ساندویچ شده است، بنابراین می تواند یک اثر زمین بسیار موثر ایجاد کند. این روش ترجیحی برای سیم کشی سیگنال RF PCB پوشیدنی است.

موجبر همسطح می تواند ایزولاسیون بهتری را در نزدیکی مدار RF و مداری که باید نزدیکتر شود ایجاد کند. این محیط از یک هادی مرکزی و صفحات زمین در دو طرف یا پایین تشکیل شده است. بهترین راه برای انتقال سیگنال های فرکانس رادیویی تعلیق خطوط نواری یا موجبرهای همسطح است. این دو روش می توانند جداسازی بهتری بین سیگنال و ردیابی RF فراهم کنند.

توصیه می شود در هر دو طرف موجبر همسطح از به اصطلاح "از طریق حصار" استفاده کنید. این روش می‌تواند یک ردیف از گذرگاه‌های زمین را روی هر صفحه زمین فلزی هادی مرکزی ارائه دهد. رد اصلی که در وسط اجرا می شود دارای نرده هایی در هر طرف است، بنابراین یک میانبر برای جریان برگشتی به زمین در زیر فراهم می کند. این روش می تواند سطح نویز مرتبط با اثر موج دار شدن سیگنال RF را کاهش دهد. ثابت دی الکتریک 4.5 مانند مواد FR4 پیش آغشته می ماند، در حالی که ثابت دی الکتریک پیش آغشته - از microstrip، stripline یا offset stripline - حدود 3.8 تا 3.9 است.

در برخی از دستگاه‌هایی که از صفحه زمین استفاده می‌کنند، ممکن است از گذرگاه‌های کور برای بهبود عملکرد جداسازی خازن قدرت و ایجاد یک مسیر شنت از دستگاه به زمین استفاده شود. مسیر شانت به زمین می تواند طول via را کوتاه کند. این می تواند به دو هدف دست یابد: شما نه تنها یک شنت یا زمین ایجاد می کنید، بلکه فاصله انتقال دستگاه هایی با مناطق کوچک را نیز کاهش می دهید، که یک عامل مهم طراحی RF است.