Из-за небольшого размера и размера практически не существует существующих стандартов печатных плат для растущего рынка носимых устройств IoT. До появления этих стандартов нам приходилось полагаться на знания и производственный опыт, полученные при разработке на уровне плат, и думать о том, как применить их к новым уникальным задачам. Есть три области, которые требуют нашего особого внимания. Это: материалы поверхности печатной платы, конструкция ВЧ/СВЧ и ВЧ линии передачи.

Материал печатной платы

«Печатная плата» обычно состоит из ламинатов, которые могут быть изготовлены из армированной волокнами эпоксидной смолы (FR4), полиимида или материалов Rogers или других ламинированных материалов. Изолирующий материал между различными слоями называется препрегом.

Носимые устройства требуют высокой надежности, поэтому, когда разработчики печатных плат встанут перед выбором: использовать FR4 (наиболее экономичный материал для изготовления печатных плат) или более совершенные и дорогие материалы, это станет проблемой.

Если для носимых печатных плат требуются высокоскоростные и высокочастотные материалы, FR4 может оказаться не лучшим выбором. Диэлектрическая проницаемость (Dk) FR4 равна 4,5, диэлектрическая проницаемость более совершенного материала серии Rogers 4003 составляет 3,55, а диэлектрическая проницаемость родственной серии Rogers 4350 составляет 3,66.

«Диэлектрическая проницаемость ламината относится к отношению емкости или энергии между парой проводников рядом с ламинатом к емкости или энергии между парой проводников в вакууме. На высоких частотах лучше всего иметь небольшие потери. Таким образом, Roger 4350 с диэлектрической проницаемостью 3,66 больше подходит для более высокочастотных применений, чем FR4 с диэлектрической проницаемостью 4,5.

В обычных условиях количество слоев печатной платы носимых устройств колеблется от 4 до 8 слоев. Принцип построения слоев заключается в том, что если это 8-слойная печатная плата, она должна иметь достаточное количество слоев заземления и питания, а также слой проводки. Таким образом, пульсирующий эффект перекрестных помех можно свести к минимуму, а электромагнитные помехи (EMI) можно значительно уменьшить.

На этапе проектирования печатной платы план компоновки обычно заключается в размещении большого слоя земли рядом со слоем распределения мощности. Это может привести к очень низкому пульсационному эффекту, а также снизить шум системы практически до нуля. Особенно это важно для радиочастотной подсистемы.

По сравнению с материалом Роджерса, FR4 имеет более высокий коэффициент рассеяния (Df), особенно на высоких частотах. Для ламинатов FR4 с более высокими характеристиками значение Df составляет около 0,002, что на порядок лучше, чем у обычного FR4. Однако стек Роджерса составляет всего 0,001 или меньше. Когда материал FR4 используется для высокочастотных применений, будет значительная разница во вносимых потерях. Вносимая потеря определяется как потеря мощности сигнала от точки A до точки B при использовании FR4, Rogers или других материалов.

создавать проблемы

Носимая печатная плата требует более строгого контроля импеданса. Это важный фактор для носимых устройств. Согласование импеданса может обеспечить более чистую передачу сигнала. Ранее стандартный допуск на следы переноса сигнала составлял ±10%. Этот показатель явно недостаточно хорош для современных высокочастотных и быстродействующих схем. Текущие требования составляют ±7%, а в некоторых случаях даже ±5% или меньше. Этот параметр и другие переменные серьезно повлияют на производство носимых печатных плат с особенно строгим контролем импеданса, тем самым ограничивая количество предприятий, которые могут их производить.

Допуск на диэлектрическую проницаемость ламината, изготовленного из материалов Rogers UHF, обычно поддерживается на уровне ±2%, а некоторые изделия могут даже достигать ±1%. Напротив, допуск на диэлектрическую проницаемость ламината FR4 достигает 10%. Таким образом, сравнив эти два материала, можно обнаружить, что вносимые потери Роджерса особенно низкие. По сравнению с традиционными материалами FR4 потери при передаче и вносимые потери стека Роджерса вдвое ниже.

В большинстве случаев стоимость имеет решающее значение. Тем не менее, Rogers может обеспечить характеристики высокочастотного ламината с относительно низкими потерями по приемлемой цене. Для коммерческого применения Rogers можно превратить в гибридную печатную плату с FR4 на эпоксидной основе, в некоторых слоях которой используется материал Rogers, а в других слоях используется FR4.

При выборе стека Роджерса основным фактором является частота. Когда частота превышает 500 МГц, разработчики печатных плат склонны выбирать материалы Rogers, особенно для ВЧ/СВЧ-схем, поскольку эти материалы могут обеспечить более высокие характеристики, когда верхние дорожки строго контролируются импедансом.

По сравнению с материалом FR4, материал Rogers также может обеспечить более низкие диэлектрические потери, а его диэлектрическая проницаемость стабильна в широком диапазоне частот. Кроме того, материал Rogers может обеспечить идеальные характеристики с низкими вносимыми потерями, необходимые для работы на высоких частотах.

Коэффициент теплового расширения (КТР) материалов серии Rogers 4000 обладает превосходной стабильностью размеров. Это означает, что по сравнению с FR4, когда печатная плата подвергается циклам холодной, горячей и очень горячей пайки оплавлением, тепловое расширение и сжатие печатной платы может поддерживаться на стабильном пределе при более высоких частотах и ​​более высоких температурах.

В случае смешанной укладки легко использовать обычную технологию производственного процесса для смешивания Rogers и высокоэффективного FR4 вместе, поэтому относительно легко добиться высокой производительности производства. Стек Роджерса не требует специального процесса подготовки.

Обычный FR4 не может обеспечить очень надежные электрические характеристики, но высокоэффективные материалы FR4 обладают хорошими характеристиками надежности, такими как более высокая Tg, при этом относительно низкая стоимость и могут использоваться в широком спектре приложений, от простого аудиодизайна до сложных микроволновых приложений. .

Рекомендации по проектированию ВЧ/СВЧ-диапазона

Портативные технологии и Bluetooth проложили путь для радиочастотных и микроволновых приложений в носимых устройствах. Сегодняшний частотный диапазон становится все более динамичным. Несколько лет назад очень высокая частота (ОВЧ) определялась как 2–3 ГГц. Но теперь мы можем увидеть приложения сверхвысокой частоты (УВЧ) в диапазоне от 10 ГГц до 25 ГГц.

Следовательно, в случае носимой печатной платы радиочастотная часть требует большего внимания к вопросам проводки, сигналы следует разделять отдельно, а дорожки, генерирующие высокочастотные сигналы, следует держать подальше от земли. Другие соображения включают в себя: обеспечение обходного фильтра, адекватных развязывающих конденсаторов, заземления и проектирование линии передачи и обратной линии, чтобы они были почти одинаковыми.

Обходной фильтр может подавлять пульсирующий эффект шумов и перекрестных помех. Развязывающие конденсаторы необходимо размещать ближе к выводам устройства, передающим сигналы питания.

Высокоскоростные линии передачи и сигнальные цепи требуют размещения слоя земли между сигналами силового слоя для сглаживания джиттера, создаваемого шумовыми сигналами. На более высоких скоростях сигнала небольшие рассогласования импедансов приведут к несбалансированной передаче и приему сигналов, что приведет к искажениям. Поэтому особое внимание необходимо уделить проблеме согласования импеданса, связанной с радиочастотным сигналом, поскольку радиочастотный сигнал имеет высокую скорость и особый допуск.

Радиочастотные линии передачи требуют контролируемого импеданса для передачи радиочастотных сигналов от конкретной подложки ИС к печатной плате. Эти линии передачи могут быть реализованы на внешнем, верхнем и нижнем уровнях или могут быть спроектированы на среднем уровне.

При проектировании ВЧ-схемы печатной платы используются следующие методы: микрополосковая линия, плавающая полосковая линия, копланарный волновод или заземление. Микрополосковая линия состоит из металла или дорожек фиксированной длины и всей заземляющей пластины или ее части непосредственно под ней. Характеристический импеданс в общей структуре микрополосковой линии находится в диапазоне от 50 до 75 Ом.

Плавающая полосковая линия — еще один метод прокладки проводов и шумоподавления. Эта линия состоит из проводов фиксированной ширины на внутреннем слое и большой пластины заземления над и под центральным проводником. Заземляющий слой расположен между силовым слоем, поэтому он может обеспечить очень эффективный эффект заземления. Это предпочтительный метод подключения радиочастотных сигналов носимой печатной платы.

Копланарный волновод может обеспечить лучшую изоляцию вблизи ВЧ-цепи и цепи, которую необходимо проложить ближе. Эта среда состоит из центрального проводника и пластин заземления с обеих сторон или снизу. Лучший способ передачи радиочастотных сигналов — это подвеска полосковых линий или копланарных волноводов. Эти два метода могут обеспечить лучшую изоляцию между сигналом и радиочастотными трассами.

Рекомендуется использовать так называемые «переходные ограждения» с обеих сторон копланарного волновода. Этот метод может обеспечить ряд заземляющих отверстий на каждой металлической заземляющей пластине центрального проводника. Основная дорожка, проходящая посередине, имеет ограждения с каждой стороны, что обеспечивает короткий путь обратного тока к земле внизу. Этот метод позволяет снизить уровень шума, связанный с высокой пульсацией радиочастотного сигнала. Диэлектрическая проницаемость 4,5 остается такой же, как у материала препрега FR4, тогда как диэлектрическая проницаемость препрега - из микрополоскового, полоскового или офсетного полоскового материала - составляет от 3,8 до 3,9.

В некоторых устройствах, в которых используется заземляющая пластина, могут использоваться глухие переходные отверстия для улучшения характеристик развязки силового конденсатора и обеспечения шунтирующего пути от устройства к земле. Шунтирующий путь к земле может сократить длину переходного отверстия. Это может достичь двух целей: вы не только создаете шунт или заземление, но и уменьшаете дальность передачи устройств с небольшой площадью, что является важным фактором проектирования радиочастот.