為射頻元件制造快速周轉(zhuǎn) PCB

時間：2022-03-05

使用低成本的 PCB（印刷電路板），幾乎可以使用任何 CAD 軟件（甚至免費軟件）在幾個小時內(nèi)輕松設(shè)計電路板。只需兩天時間，您就可以在自己的辦公桌上完成原型板。許多軟件包都有很好的設(shè)計規(guī)則，大多數(shù)PCB制造商可以使線寬和間距低至0.006英寸。

這種精度對于低頻電路來說不是問題，但射頻電路通常需要 50Ω 的走線才能正常工作。零件越來越小，但物理定律不會改變。因此，今天 0.062" 厚原型板上的微帶走線尺寸為 0.11"，而 30 年前它是 0.11"。但許多 SMT（表面貼裝技術(shù)）組件比它們的前輩小得多，因此用于射頻原型設(shè)計的低成本雙面板似乎不適合當今的小型 SMT 組件。

使用 CPWG（接地共面波導）結(jié)構(gòu)，可以在 PCB 上制作 50Ω 射頻走線。CPWG結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生所需的走線，其寬度小于微帶結(jié)構(gòu)的走線。

在靠近微帶線的**板上放置接地銅箔會增加微帶結(jié)構(gòu)的電容。為了補償并使整個結(jié)構(gòu)保持在 50Ω，中心走線寬度必須減小到具有高電感的點。

如何設(shè)計低成本快速PCB工藝的CPWG結(jié)構(gòu)？網(wǎng)上有許多可用的 CPWG 計算器，但當接地層間距小于走線寬度的 30% 到 50% 時，這些計算器就會失效，因為板上銅走線的高度成為一個重要因素。它增加的電容比計算器假設(shè)的要多。因此，這些計算器的走線設(shè)計具有過大的電容，將其阻抗降至 50Ω 以下。這些公式可以追溯到多年前的 IC 設(shè)計。

許多計算器中的公式已經(jīng)不能用了，因為今天的 PCB 與 IC 有著根本的不同。在 PCB 上正確設(shè)計具有窄間距與中心線比的 CPWG 的較佳方法是使用完整的 3D EM 模擬器。這個例子提供了一些常見結(jié)構(gòu)的值。

將較小走線間距保持在 6 mil，我模擬、制造和測試了 CPWG 結(jié)構(gòu)。對于普通 0.062" 厚的 FR-4 PCB 材料，具有 0.032" 寬度和 0.006" 間距的走線較接近 50Ω。走線上的回波損耗**6 GHz 時為 40 dB。

此解決方案**使用 0.11 英寸寬的走線，并且與 SMT 組件兼容。0603 尺寸的 SMT 組件和常見的 SMA（表面貼裝組件）板邊連接器與此線**配合。圖 1 將幾種常見的射頻元件與成品 PCB 進行了比較。對于焊盤尺寸大于 0.032" 走線寬度的部件，只需增加**層板接地層的間隙即可進行補償。例如，將焊盤的**層間隙增加到大約 0.008英寸和 0.012 英寸的元件焊盤可以防止焊盤電容過大。

為了符合一般設(shè)計規(guī)則，我將銅箔從測試 PCB 上的布線板邊緣拉回 0.01"。但是，這種拉回和邊緣安裝的連接器會在過渡。走線末端的板邊緣連接器中間的粗引腳增加了額外的電容，以提供內(nèi)置電容補償。將引腳截斷到其原始長度的大約一半會產(chǎn)生大致等效的電容，以平衡開關(guān)電感。

CPWG 結(jié)構(gòu)要求走線下方有一個堅固的接地層；在**部走線下方的底部接地層上留下一個開口會為結(jié)構(gòu)增加相當大的電感并降低高頻性能。您還需要使用一些過孔將**部接地層“縫合”到底部接地層。該縫合過孔的放置不應(yīng)**過電路使用的較高頻率波長的八分之一。請注意，0.1 英寸間距適用于 10 GHz 以上的頻率。

從縫合過孔到中心走線的間距遵循相同的間距規(guī)則。使用足夠的過孔可以輕松地布線走線以正常工作。

如果沒有足夠的過孔pcb電路板，在 S21 的傳輸特性中會看到一個小而快速的 0.5dB 到 1dB 的下降，而不是隨頻率變化的線性損耗斜坡。使用 VNA（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）可以立即看到這種效果。測試板上的測量結(jié)果表明，在 3 GHz 和 10 GHz 時，損耗約為 0.25 dB/in，包括兩個板邊緣連接器。

要連接到焊盤窄于 0.032 英寸的 SMT 設(shè)備或 IC，中心導體可以根據(jù)需要變窄并盡可能靠近設(shè)備放置。如果實際的不連續(xù)性很小pcb電路板，當頻率不是很高時，其影響可以忽略不計。

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