Diretrizes para Projeto de RF e Microondas

Os circuitos de RF e micro-ondas são agora alguns dos projetos de PCB mais comuns na indústria eletrônica, reconhecidos por suas habilidades de capturar frequências mais altas do que os circuitos normais. Anteriormente muito caro para qualquer coisa fora das indústrias militar e aeroespacial, os circuitos de RF e micro-ondas agora são partes integrantes de uma ampla gama de produtos comerciais e profissionais, especificamente dispositivos de comunicação sem fio, como telefones celulares, emissoras de satélite e redes sem fio. Com frequências mais altas, no entanto, vêm mais desafios de design.



Para garantir que esses circuitos de RF e micro-ondas de alta frequência sejam bem-sucedidos, os fornecedores devem considerar várias técnicas de projeto de RF e micro-ondas para PCBs.

Noções básicas de PCB de RF e microondas

A maneira mais simples de descrever PCBs de RF e micro-ondas é que eles contêm componentes que transportam sinais de RF ou micro-ondas. Esses sinais variam em frequência e as diferenças de frequência definem as diferenças nos componentes entre PCBs de RF e micro-ondas e outros tipos de PCB. No entanto, entender o básico de frequências de RF e micro-ondas é o primeiro passo para entender o design de PCB de RF e o design de PCB de micro-ondas.

Em essência, um sinal eletrônico é uma quantidade que varia ao longo do tempo e comunica algum tipo de informação. A quantidade que varia geralmente é tensão ou corrente. Esses sinais são passados ​​entre os dispositivos como forma de enviar e receber informações, como áudio, vídeo ou dados codificados. Embora esses sinais sejam frequentemente transmitidos por fios, eles também podem ser transmitidos pelo ar por ondas de radiofrequência ou RF.

Essas ondas de radiofrequência variam entre 3 kHz e 300 GHz, mas são subdivididas em categorias menores por questão de praticidade. Essas categorias incluem o seguinte:

• Sinais de baixa frequência: Esses são os sinais tratados pela maioria dos componentes analógicos tradicionais e incluem sinais com frequências de até 50 MHz.

• Sinais de RF: Enquanto os sinais de radiofrequência, ou RF, cobrem tecnicamente uma ampla gama de frequências de sinal, os projetistas de circuitos usam o termo em um escopo mais restrito. Dentro deste campo, uma frequência de sinal de RF normalmente varia de 50 MHz a 1 GHz. Essas são as mesmas frequências de sinal usadas na transmissão AM/FM.

• Sinais de microondas: Os sinais de microondas apresentam frequências acima de 1 GHz. O limite superior desses sinais é em torno de 30 GHz. Estes são os mesmos micro-ondas usados ​​para cozinhar nossos alimentos em fornos de micro-ondas. Eles também são usados ​​para comunicar sinais de largura de banda muito alta.

Os sinais descritos acima se enquadram na categoria de sinais analógicos, embora os sinais de RF e micro-ondas sejam significativamente mais altos do que a maioria dos sinais analógicos padrão usados ​​em projetos de PCB tradicionais. Os sinais analógicos são inerentemente diferentes dos sinais digitais, e cada categoria requer componentes diferentes para lidar com seus sinais. Esses sinais são descritos em mais detalhes abaixo:

• Sinais analógicos: Um sinal analógico varia continuamente ao longo do tempo e, quando você observa esse sinal em um gráfico, ele aparece como uma onda suave. Nesta onda, há um número infinito de possibilidades de valores dentro de uma faixa limitada de valores máximos e mínimos. A maioria dos componentes eletrônicos (resistores, capacitores, transistores, etc.) opera com sinais analógicos, embora circuitos puramente analógicos sejam muito mais difíceis de projetar do que PCBs digitais. Isto é principalmente devido à sua suscetibilidade ao ruído e outros problemas. Os sinais analógicos padrão geralmente caem entre DC e 100 MHz ou mais, mas variam muito em frequência. Os sinais de RF são sinais inerentemente analógicos.

• Sinais digitais: Ao contrário dos sinais analógicos, os sinais digitais operam com um conjunto finito de valores. O número de valores neste conjunto pode ser muito grande, mas não é infinito. É comum ver esses sinais digitais operando com dois valores, mas o sinal só pode ser um desses dois valores por vez. Ao olhar para este tipo de sinal ao longo do tempo, as ondas criadas pela mudança nos sinais são quadradas, em vez de contínuas. Os sinais digitais podem tentar replicar as ondas suaves dos sinais analógicos, mas essas ondas digitais sempre consistirão em etapas discretas em vez de curvas suaves. Esses sinais discretos, no entanto, significam que os circuitos digitais são mais fáceis de projetar do que os circuitos analógicos, embora geralmente sejam mais caros.

É comum encontrar ambos os sinais operando dentro de um único circuito, com componentes projetados para converter um sinal de uma forma para outra. No entanto, esses tipos de circuitos devem ser projetados com cuidado, especialmente quando os componentes analógicos lidam com sinais de alta frequência, como sinais de RF. Quanto maior a frequência, maior o potencial de problemas, como ruído.

Problemas e soluções comuns para projetos de PCB de RF e micro-ondas

Layouts de PCB com circuitos de RF ou micro-ondas tendem a ser muito mais difíceis de projetar do que o típico PCB analógico ou digital. Isso se deve a alguns dos recursos e qualidades mais problemáticos associados aos sinais de RF. Ao projetar um PCB de RF ou Microondas, lembre-se dos seguintes pontos e problemas.

Noções básicas de design de PCB

Em primeiro lugar, os PCBs de RF e micro-ondas devem ser projetados para minimizar qualquer potencial de erro durante o processo de montagem. Algumas das diretrizes de design de layout de RF mais básicas incluem:

• Mantendo as peças separadas: Se uma placa tiver vários tipos de peças, como componentes analógicos de baixo nível, RF e digitais, eles devem ser mantidos separados. Isso não é apenas mais fácil para o projetista gerenciar, mas também minimiza o potencial de problemas catastróficos durante o estágio de montagem.
• PCBs multicamadas: Idealmente, os PCBs de RF e micro-ondas devem incluir mais de uma camada. A camada superior deve incluir o estágio de potência, bem como as linhas e componentes do sinal de RF. Certifique-se de que, se você tiver uma PCB multicamada, haja uma camada de terra embaixo de qualquer camada que inclua linhas de sinal de RF ou micro-ondas.
• Sensibilidade ao ruído: Os projetistas de PCB de RF e micro-ondas devem entender a sensibilidade desses sinais de alta frequência ao ruído. Embora a maioria dos projetistas esteja acostumada a trabalhar com essa sensibilidade em sinais digitais de alta velocidade, eles precisam ser significativamente mais cautelosos com sinais de RF e micro-ondas, pois são ainda mais sensíveis. Esses sinais também são suscetíveis a uma variedade maior de tipos de ruído. Essa extrema sensibilidade significa que qualquer possível ruído, reflexão ou toque do sinal deve ser mitigado.

Ruído é um termo usado para descrever variações indesejadas de tensão, que produzem erros e problemas funcionais dentro do circuito. O ruído vem em uma variedade de formas e se enquadra nas seguintes categorias de acordo com a distribuição da frequência:

• Ruído branco: Este é um tipo de ruído que se soma a todas as frequências igualmente.
• Ruído rosa: O ruído rosa não produz uma resposta plana, mas oscila com frequência crescente.
• Ruído limitado de banda: A banda de frequência desse ruído é limitada pelos filtros ou pelo circuito pelo qual ele passa.

O ruído de RF pode vir de várias fontes, que também são categorizadas de acordo com o tipo. Estes são descritos abaixo, juntamente com soluções para cada tipo de ruído:

• Ruído térmico: Também chamado de ruído Johnson ou Johnson Nyquist, esse tipo de ruído é resultado da agitação térmica. Essa ruptura térmica afeta os portadores de carga em um condutor, excitando-os mais do que o pretendido, produzindo ruído. Esses problemas geralmente podem ser resolvidos minimizando os efeitos da temperatura no circuito, geralmente regulando a temperatura por meio de sistemas de resfriamento ao redor do circuito ou recursos de dissipação de calor no próprio circuito.
• Ruído de disparo: Esse ruído vem das flutuações na corrente elétrica ao longo do tempo, causadas pela natureza discreta das cargas dos elétrons. Como esse ruído é causado pelo fluxo de corrente, é difícil eliminá-lo, embora os resistores metálicos tendam a minimizar sua ocorrência. Felizmente, o ruído de disparo só é aparente em dispositivos como junções de túneis e diodos de barreira.
• Ruído de fase: Esse tipo de ruído de RF é visível em sinais de radiofrequência e pode afetar significativamente o desempenho de um sistema. Este ruído aparece como jitter de fase, ou flutuações, dentro do próprio sinal, que se manifesta como bandas laterais que se espalham para cada lado do sinal ou portadora. Este pode ser um tipo de ruído particularmente problemático ao transportar informações digitais, pois o ruído de fase pode degradar a taxa de erro de bits e, portanto, a qualidade dos dados transmitidos. Sinais mais limpos são a melhor maneira de reduzir esse ruído, que deve ser considerado no início do processo de design.
• Ruído de oscilação: Também chamado de ruído 1/f, esse ruído ocorre em quase todos os eletrônicos e geralmente é causado pelo fluxo de corrente contínua. É proporcional ao inverso da frequência do sinal, mas se manifesta de forma semelhante ao ruído de fase. Processar o sinal por meio de um filtro especializado geralmente ajuda a reduzir esse tipo de ruído.
• Barulho de avalanche: Este ruído é causado por um diodo de junção operando muito próximo ao ponto de avalanche. O resultado é muito ruído produzido no diodo. Remover esse ruído de avalanche é tão simples quanto usar um filtro baseado em capacitor ou uma rede de suavização.

Muito ruído pode ser mitigado com filtros passa-banda apropriados, que transmitem os sinais em uma “banda de interesse”. Somente sinais dentro de uma faixa de frequência específica podem passar por este filtro, enquanto o filtro bloqueia o resto. No entanto, isso não resolve o problema de sinais imprecisos dentro da faixa de frequência. Idealmente, a fonte do ruído deve ser removida através de um dos métodos acima.

Correspondência de impedância

A correspondência de impedância é outro requisito importante para PCBs de RF. Embora os sinais digitais de alta velocidade sejam um pouco tolerantes quando se trata de casamento de impedância, quanto maior a frequência, menor a tolerância. Com sinais de RF e microondas, esta tolerância é particularmente apertada.

Há várias coisas a serem lembradas ao considerar a correspondência de impedância em seu projeto. Estes incluem o seguinte:

• Perda do efeito de pele: Em frequências mais altas, os elétrons começarão a fluir ao longo da superfície externa do condutor. Isso é chamado de “efeito de pele”. No traço, uma pequena área é usada para afunilar os elétrons. No entanto, esse funil também retém alguns dos elétrons que fluem do lado de fora do condutor, convertendo sua energia de sinal em calor. Isso é o que é chamado de “perda do efeito da pele”. Essa perda é melhor minimizada com a correspondência de impedância adequada e até mesmo o revestimento de PCB com ouro.

• Mantenha comprimentos de linha baixos: Quanto mais longas as linhas que transportam sinais de RF/Microondas, maior a chance de perda de sinal. Idealmente, a linha deve ser 1/20 do comprimento de onda. Se ele precisar ser maior que 1/16 do comprimento de onda, também chamado de comprimento crítico do sinal, será necessário aplicar o controle de impedância a esse traço com componentes L e C até o final da linha.

Perda de retorno

A perda de retorno geralmente é causada pela reflexão do sinal. Infelizmente, como os sinais de RF e micro-ondas são mais sensíveis ao ruído do sinal, a perda de retorno é um problema mais proeminente. Enquanto os sinais de retorno geralmente seguem o caminho de menor resistência, os sinais de frequência mais alta tendem a seguir o caminho de menor indutância. Tais caminhos tendem a incluir os planos de terra abaixo do sinal original.

Para minimizar a perda de retorno, os planos de aterramento devem ser contínuos do driver ao receptor, caso contrário, o sinal de retorno pode passar por outros planos de potência. Como esses caminhos alternativos são menos ideais, eles podem causar ruídos de sinal significativos por meio de reflexão e toque, ou até mesmo serem perdidos na forma de calor.

Crosstalk

Crosstalk é uma transferência não intencional de energia entre condutores, resultando em um sinal acoplado. Tal transferência é geralmente o resultado de indutância mútua e capacitância de derivação, e a incidência de diafonia tende a aumentar à medida que a densidade e o desempenho de uma PCB aumentam. A proximidade dos condutores, a distância sobre a qual eles correm paralelamente e a taxa de borda da linha ativa também desempenham um papel significativo. Crosstalk tende a ser um problema sério para projetos de alta frequência, como projetos de RF e microondas, e é por isso que os designers devem fazer o que puderem para evitar crosstalk.

Crosstalk deve ser minimizado tanto quanto possível. Felizmente, existem várias maneiras de fazer isso. Esses métodos incluem:

• Sinais de separação: Idealmente, a distância de centro a centro deve ser cerca de quatro vezes a largura do traço dos sinais.

• Minimizar linhas paralelas: Se as linhas absolutamente precisam correr paralelas umas às outras, mantenha a distância na qual as linhas correm paralelas umas às outras no mínimo.

• Reduza o espaçamento dielétrico: O espaçamento dielétrico entre uma linha e seu plano de referência deve ser minimizado.

• Apresente uma estrutura coplanar: Insira um plano de aterramento entre os traços.

• Encerrar a linha: Terminar a linha em sua impedância característica pode reduzir a interferência em até 50%.

Propriedades do laminado

As propriedades de um laminado de PCB podem ter um efeito significativo na funcionalidade de um PCB de RF ou Microondas. O FR4, por exemplo, tem um fator de dissipação mais alto do que os laminados de alta frequência, o que significa que os laminados FR4 podem resultar em maiores perdas de inserção à medida que as frequências do sinal aumentam. Além disso, a constante dielétrica, ou valor Dk, de FR4 tende a ser maior e mais variável do que a de laminados de alta frequência. Os valores de FR4 Dk podem variar até 10%, o que, por sua vez, varia a impedância.

A perda dielétrica é um problema comum associado às propriedades do laminado. Semelhante à perda por efeito de pele, a perda dielétrica ocorre quando os elétrons fluem através de um condutor e ricocheteiam nos elétrons do substrato FR4 PCB. Durante a interação desses elétrons, parte da energia do sinal dos elétrons fluindo é transferida para os elétrons FR4, que por sua vez convertem a energia em calor. Esse tipo de perda pode ser evitado usando substratos com fatores de dissipação muito baixos, como o politetrafluoretileno Teflon, que possui um fator de dissipação em torno de 0,001 em oposição ao fator de dissipação do FR4 de 0,02.

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