Directrices para el diseño de RF y microondas

Los circuitos de RF y microondas ahora son algunos de los diseños de PCB más comunes en la industria electrónica, reconocidos por su capacidad para capturar frecuencias más altas que los circuitos normales. Los circuitos de radiofrecuencia y microondas, que anteriormente eran demasiado costosos para fabricarlos fuera de las industrias militar y aeroespacial, ahora son partes integrales de una amplia gama de productos comerciales y profesionales, específicamente dispositivos de comunicación inalámbricos como teléfonos celulares, emisoras satelitales y redes inalámbricas. Sin embargo, con frecuencias más altas surgen más desafíos de diseño.

Para garantizar que estos circuitos de RF y microondas de alta frecuencia tengan éxito, los proveedores deben considerar varias técnicas de diseño de RF y microondas para PCB.

Conceptos básicos de PCB de RF y microondas

La forma más sencilla de describir las PCB de RF y microondas es que contienen componentes que transmiten señales de RF o microondas. Estas señales varían en frecuencia, y las diferencias en frecuencia definen las diferencias en los componentes entre los PCB de RF y microondas y otros tipos de PCB. Sin embargo, comprender los conceptos básicos de las frecuencias de RF y microondas es el primer paso para comprender el diseño de PCB de RF y el diseño de PCB de microondas.

En esencia, una señal electrónica es una cantidad que varía con el tiempo y comunica algún tipo de información. La cantidad que varía suele ser el voltaje o la corriente. Estas señales se transmiten entre dispositivos como una forma de enviar y recibir información, como audio, video o datos codificados. Si bien estas señales a menudo se transmiten a través de cables, también pueden transmitirse por el aire mediante ondas de radiofrecuencia o RF.

Estas ondas de radiofrecuencia varían entre 3 kHz y 300 GHz, pero se subdividen en categorías más pequeñas por motivos prácticos. Estas categorías incluyen lo siguiente:

• Señales de baja frecuencia: Estas son las señales que manejan la mayoría de los componentes analógicos tradicionales e incluyen señales con frecuencias de hasta 50 MHz.

• Señales RF: Si bien las señales de radiofrecuencia, o RF, técnicamente cubren una amplia gama de frecuencias de señal, los diseñadores de circuitos usan el término en un ámbito más limitado. Dentro de este campo, la frecuencia de una señal de RF normalmente oscila entre 50 MHz y 1 GHz. Estas son las mismas frecuencias de señal que se utilizan en la transmisión AM/FM.

• Señales de microondas: Las señales de microondas presentan frecuencias superiores a 1 GHz. El límite superior de estas señales es de alrededor de 30 GHz. Estos son los mismos microondas que se utilizan para cocinar nuestros alimentos en hornos de microondas. También se utilizan para comunicar señales de ancho de banda muy alto.

Las señales descritas anteriormente caen dentro de la categoría de señales analógicas, aunque las señales de RF y microondas son significativamente más altas que la mayoría de las señales analógicas estándar utilizadas en los diseños de PCB tradicionales. Las señales analógicas son inherentemente diferentes de las señales digitales y cada categoría requiere diferentes componentes para manejar sus señales. Estas señales se describen con más detalle a continuación:

• Señales analógicas: Una señal analógica varía continuamente con el tiempo, y cuando miras esta señal en un gráfico, se muestra como una onda suave. En esta onda, hay un número infinito de posibilidades de valor dentro de un rango limitado de valores máximos y mínimos. La mayoría de los componentes electrónicos (resistencias, condensadores, transistores, etc.) funcionan con señales analógicas, aunque los circuitos puramente analógicos son mucho más difíciles de diseñar que las PCB digitales. Esto se debe principalmente a su susceptibilidad al ruido y otros problemas. Las señales analógicas estándar generalmente se encuentran entre CC y 100 MHz aproximadamente, pero varían ampliamente en frecuencia. Las señales de RF son señales inherentemente analógicas.

• Señales digitales: A diferencia de las señales analógicas, las señales digitales operan con un conjunto finito de valores. El número de valores en este conjunto puede ser muy grande, pero no es infinito. Es común ver estas señales digitales operando con dos valores, pero la señal solo puede ser uno de esos dos valores a la vez. Al observar este tipo de señal a lo largo del tiempo, las ondas creadas por el cambio en las señales son cuadradas, en lugar de continuas. Las señales digitales pueden intentar replicar las ondas suaves de las señales analógicas, pero estas ondas digitales siempre consistirán en pasos discretos en lugar de curvas suaves. Sin embargo, estas señales discretas significan que los circuitos digitales son más fáciles de diseñar que los circuitos analógicos, aunque suelen ser más caros.

Es común encontrar ambas señales operando dentro de un solo circuito, con componentes diseñados para convertir una señal de una forma a otra. Sin embargo, estos tipos de circuitos deben diseñarse con cuidado, especialmente cuando los componentes analógicos manejan señales de alta frecuencia como las señales de RF. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el potencial de problemas, como el ruido.

Problemas comunes y soluciones para diseños de PCB de RF y microondas

Los diseños de PCB con circuitos de RF o microondas tienden a ser mucho más difíciles de diseñar que el típico PCB analógico o digital. Esto se debe a algunas de las características y cualidades más problemáticas asociadas con las señales de RF. Al diseñar una placa de circuito impreso de RF o microondas, tenga en cuenta los siguientes puntos y problemas.

Conceptos básicos de diseño de PCB

En primer lugar, las PCB de RF y microondas deben diseñarse para minimizar cualquier posibilidad de error durante el proceso de ensamblaje. Algunas de las pautas de diseño de diseño de RF más básicas incluyen:

• Mantener las piezas separadas: Si una placa tiene varios tipos de piezas, como componentes analógicos, de RF y digitales de bajo nivel, deben mantenerse separados. Esto no solo es más fácil de manejar para el diseñador, sino que minimiza el potencial de problemas catastróficos durante la etapa de ensamblaje.
• PCB multicapa: Idealmente, los PCB de RF y microondas deberían incluir más de una capa. La capa superior debe incluir la etapa de potencia, así como las líneas y componentes de señal de RF. Asegúrese de que si tiene una placa de circuito impreso multicapa, haya una capa de tierra debajo de cualquier capa que incluya líneas de señal de RF o microondas.
• Sensibilidad al Ruido: Los diseñadores de PCB de RF y microondas deben comprender cuán sensibles son estas señales de alta frecuencia al ruido. Si bien la mayoría de los diseñadores están acostumbrados a trabajar con tanta sensibilidad en señales digitales de alta velocidad, deben ser mucho más cautelosos con las señales de RF y microondas, ya que son aún más sensibles. Estas señales también son susceptibles a una variedad más amplia de tipos de ruido. Esta sensibilidad extrema significa que se debe mitigar cualquier posibilidad de ruido, reflejo o timbre de la señal.

Ruido es un término utilizado para describir variaciones no deseadas en el voltaje, lo que produce errores y problemas funcionales dentro del circuito. El ruido se presenta en una variedad de formas y cae dentro de las siguientes categorías según la distribución de la frecuencia:

• Ruido blanco: Este es un tipo de ruido que se suma a todas las frecuencias por igual.
• Ruido rosa: El ruido rosa no produce una respuesta plana, sino que oscila con una frecuencia creciente.
• Ruido de banda limitada: La banda de frecuencia de este ruido está limitada por los filtros o el circuito por el que pasa.

El ruido de RF puede provenir de varias fuentes, que también se clasifican según el tipo. Estos se describen a continuación, junto con las soluciones para cada tipo de ruido:

• Ruido Térmico: También llamado ruido Johnson o Johnson Nyquist, este tipo de ruido es el resultado de la agitación térmica. Esta interrupción térmica afecta a los portadores de carga en un conductor, excitándolos más de lo previsto y, por lo tanto, produciendo ruido. Por lo general, estos problemas se pueden resolver minimizando los efectos de la temperatura en el circuito, a menudo regulando la temperatura a través de sistemas de enfriamiento alrededor del circuito o características de disipación de calor en el circuito mismo.
• Ruido de disparo: Este ruido proviene de las fluctuaciones de la corriente eléctrica a lo largo del tiempo, provocadas por la naturaleza discreta de las cargas de los electrones. Dado que este ruido es causado por el flujo de corriente, es difícil eliminarlo, aunque las resistencias metálicas tienden a minimizar su aparición. Afortunadamente, el ruido de disparo solo es aparente en dispositivos como uniones de túnel y diodos de barrera.
• Ruido de fase: Este tipo de ruido de RF es visible en las señales de radiofrecuencia y puede afectar significativamente el rendimiento de un sistema. Este ruido aparece como fluctuaciones de fase, o fluctuaciones, dentro de la propia señal, que se manifiesta como bandas laterales que se extienden a cada lado de la señal o portadora. Este puede ser un tipo de ruido particularmente problemático cuando se transporta información digital, ya que el ruido de fase puede degradar la tasa de error de bits y, por lo tanto, la calidad de los datos que se transmiten. Las señales más limpias son la mejor manera de reducir este ruido, que debe tenerse en cuenta al principio del proceso de diseño.
• Ruido de parpadeo: También llamado ruido 1/f, este ruido ocurre en casi todos los dispositivos electrónicos y generalmente es causado por el flujo de corriente continua. Es proporcional a la inversa de la frecuencia de la señal, pero se manifiesta de manera similar al ruido de fase. El procesamiento de la señal a través de un filtro especializado generalmente ayudará a reducir este tipo de ruido.
• Ruido de avalancha: Este ruido es causado por un diodo de unión que funciona demasiado cerca del punto de ruptura de la avalancha. El resultado es mucho ruido producido en el diodo. Eliminar este ruido de avalancha es tan simple como usar un filtro basado en capacitor o una red de suavizado.

Se puede mitigar una gran cantidad de ruido con filtros de paso de banda apropiados, que transmiten las señales en una "banda de interés". Solo las señales dentro de un rango de frecuencia específico pueden pasar a través de este filtro, mientras que el filtro bloquea el resto. Sin embargo, esto no resuelve el problema de las señales imprecisas dentro del rango de frecuencia. Idealmente, la fuente del ruido debe eliminarse a través de uno de los métodos anteriores.

Coincidencia de impedancia

La coincidencia de impedancia es otro requisito importante para las PCB de RF. Si bien las señales digitales de alta velocidad son algo tolerantes en lo que respecta a la coincidencia de impedancia, cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la tolerancia. Con señales de RF y microondas, esta tolerancia es particularmente estricta.

Hay varias cosas a tener en cuenta cuando está considerando la coincidencia de impedancia en su diseño. Estos incluyen lo siguiente:

• Pérdida del efecto piel: A frecuencias más altas, los electrones comenzarán a fluir a lo largo de la superficie exterior del conductor. Esto se llama “efecto piel”. En la traza, se usa un área pequeña para canalizar electrones. Sin embargo, este embudo también atrapa algunos de los electrones que fluyen por el exterior del conductor, convirtiendo la energía de su señal en calor. Esto es lo que se denomina “pérdida del efecto piel”. Esta pérdida se minimiza mejor con una adaptación de impedancia adecuada e incluso un recubrimiento de PCB con oro.

• Mantenga longitudes de línea bajas: Cuanto más largas sean las líneas que transportan señales de RF/microondas, más posibilidades hay de que se pierda la señal. Idealmente, la línea debería ser 1/20 de la longitud de onda. Si necesita ser más larga que 1/16 de la longitud de onda, también llamada longitud de señal crítica, deberá aplicar control de impedancia a esa traza con componentes L y C hasta el final de la línea.

Pérdida de devolución

La pérdida de retorno a menudo es causada por la reflexión de la señal. Desafortunadamente, dado que las señales de RF y microondas son más sensibles al ruido de la señal, la pérdida de retorno es un problema más importante. Mientras que las señales de retorno suelen seguir el camino de menor resistencia, las señales de mayor frecuencia tienden a tomar el camino de menor inductancia. Dichos caminos tienden a incluir los planos de tierra debajo de la señal original.

Para minimizar la pérdida de retorno, los planos de tierra deben ser continuos desde el controlador hasta el receptor, de lo contrario, la señal de retorno podría pasar a través de otros planos de potencia. Dado que estas rutas alternativas son menos ideales, pueden causar un ruido de señal significativo a través de la reflexión y el timbre, o incluso perderse en forma de calor.

diafonía

La diafonía es una transferencia no intencional de energía entre conductores, lo que resulta en una señal acoplada. Tal transferencia suele ser el resultado de la inductancia mutua y la capacitancia en derivación, y la incidencia de la diafonía tiende a aumentar a medida que aumenta la densidad y el rendimiento de una PCB. La proximidad de los conductores, la distancia en la que corren paralelos y la tasa de borde de la línea activa también juegan un papel importante. La diafonía tiende a ser un problema grave para los diseños de alta frecuencia, como los diseños de RF y microondas, por lo que los diseñadores deben hacer todo lo posible para evitar la diafonía.

La diafonía debe minimizarse tanto como sea posible. Afortunadamente, hay varias formas de hacerlo. Estos métodos incluyen:

• Separación de señales: Idealmente, la distancia de centro a centro debería ser alrededor de cuatro veces el ancho de la traza de las señales.

• Minimizar líneas paralelas: Si es absolutamente necesario que las líneas corran paralelas entre sí, mantenga al mínimo la distancia sobre la cual las líneas corren paralelas entre sí.

• Reducir el espacio dieléctrico: El espacio dieléctrico entre una línea y su plano de referencia debe minimizarse.

• Presente una estructura coplanar: Inserte un plano de tierra entre las trazas.

• Terminar la línea: Terminar la línea en su impedancia característica puede reducir la diafonía hasta en un 50 por ciento.

Propiedades del laminado

Las propiedades de un laminado de PCB pueden tener un efecto significativo en la funcionalidad de un PCB de RF o microondas. FR4, por ejemplo, tiene un factor de disipación más alto que los laminados de alta frecuencia, lo que significa que los laminados FR4 pueden generar mayores pérdidas de inserción a medida que aumentan las frecuencias de la señal. Además, la constante dieléctrica, o valor Dk, de FR4 tiende a ser mayor y más variable que la de los laminados de alta frecuencia. Los valores de FR4 Dk pueden variar hasta un 10 por ciento, lo que a su vez varía la impedancia.

La pérdida dieléctrica es un problema común asociado con las propiedades del laminado. Similar a la pérdida por efecto pelicular, la pérdida dieléctrica ocurre cuando los electrones fluyen a través de un conductor y rebotan en los electrones del sustrato de PCB FR4. Durante la interacción de estos electrones, parte de la energía de la señal de los electrones que fluyen se transfiere a los electrones FR4, que a su vez convierten la energía en calor. Este tipo de pérdida se puede evitar utilizando sustratos con factores de disipación muy bajos, como el politetrafluoroetileno teflón, que tiene un factor de disipación de alrededor de 0,001 frente al factor de disipación de FR4 de 0,02.

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