Optimización del diseño de PCB para circuitos RF y CEM en la era 4G

El desarrollo de la tecnología de comunicaciones ha llevado a aplicaciones cada vez más amplias de circuitos de radiofrecuencia (RF), como en teléfonos móviles, productos Bluetooth; el circuito RF se ha convertido en tecnología central de propagación radio. En años recientes, la prevalencia del 4G y el aumento obvio en el orden de magnitud de transferencia de datos plantean retos al diseño de PCB de circuitos RF. El número de señales transferidas por circuitos RF aumenta cientos de veces al día. Además, como los circuitos RF se aplican principalmente en dispositivos portátiles de pequeño tamaño y portabilidad, el requisito básico es volumen reducido, tendido uniforme y razonable, y no interferencia entre microcomponentes. Sin embargo, parece inevitable la interferencia electromagnética entre componentes en móviles. No se preocupe: algunas operaciones pueden reducir eficazmente la influencia de la interferencia. Este artículo presenta un diseño razonable de PCB para circuitos RF con características de volumen reducido y capacidad antiinterferencia notable.

Selección del material de sustrato

Dado que algunos IC (circuitos integrados) se implementan en el sustrato, primero debe seleccionarse un sustrato adecuado para el circuito RF como plantilla que porte componentes electrónicos. En la selección, los primeros elementos a considerar son constante dieléctrica, pérdida dieléctrica y coeficiente de expansión térmica, siendo la constante dieléctrica la más significativa ya que afecta enormemente la impedancia y velocidad de transmisión, especialmente en circuitos de frecuencia extremadamente alta con requisitos estrictos. Por tanto, generalmente se elige sustrato con constante dieléctrica relativamente pequeña.

Procedimiento de diseño de PCB

• Diseño del diagrama esquemático

El primer paso es diseñar el diagrama esquemático, que debe completarse con asistencia informática. Se implementa mediante software de diseño PCB que contiene todos los componentes analógicos. Primero, se diseña el circuito simulando el real en computadora. Luego, se conecta con los componentes correspondientes. A continuación, se realiza simulación de operación basada en el esquemático para determinar factibilidad.

• Diseño del PCB

Tras el diseño esquemático, el patrón y tamaño del PCB pueden determinarse científicamente basándose en él. El patrón y tamaño pueden optimizarse según posición, dimensión, patrón y otros parámetros para lograr rendimiento óptimo. En este proceso, es necesario determinar posiciones de agujeros de ubicación, ojales de visión y agujeros de referencia.

Ubique todos los componentes requeridos. Los componentes ordinarios son fáciles de encontrar en almacén. Si no están disponibles, es necesario adquirirlos o fabricarlos. PCBCart cuenta con un sistema profesional y estable de aprovisionamiento de componentes en el que los clientes pueden confiar. Luego, los componentes se distribuyen y se implementa el tendido alrededor. El paso final es detectar la operación del circuito para asegurar que el rendimiento cumple requisitos y la operación es básicamente estable.

Disposición de componentes

A diferencia de la disposición ordinaria, todos los componentes en circuitos RF son tan pequeños por la escala reducida que se aplica SMT (tecnología de montaje superficial) para la disposición y horno de refusión infrarrojo para soldar microcomponentes. La soldadura es un eslabón importante en el diseño de circuitos RF, cuya calidad afecta directamente la calidad global. Para el PCB de circuito RF, se necesita formar excelente compatibilidad electromagnética entre componentes, el elemento más importante. La radiación electromagnética entre componentes influye en la operación independiente de cada uno, por lo que es necesario elegir primero componentes con capacidad antiinterferencia.

Además, en la operación global, la corriente tiende a generar campo magnético. Desde la perspectiva del circuito RF, además de la interferencia entre componentes, hay que considerar la interferencia del circuito a otros circuitos. El layout macroscópico es crítico y los siguientes principios básicos pueden ser referencia.

Primero, la disposición de componentes debe ser en una fila. La determinación de la dirección del sistema de estañado de entrada del PCB reduce problemas por soldadura floja. Generalmente, el espaciado entre componentes debe ser ≥ 0,5 mm para permitir estañado entre ellos. De lo contrario, no se puede soldar por la distancia reducida.

Segundo, todas las interfaces deben ser compatibles en el sistema PCB. Posiciones, dimensiones y forma de interfaces de componentes deben considerarse para asegurar conexión fluida. La complejidad del circuito lleva inevitablemente a diferencias de potencial entre circuitos. Por el espacio reducido, los cortocircuitos siempre ocurren. Por tanto, componentes con alto potencial no deben colocarse muy cerca para evitar cortocircuitos. Más atención en entorno de alto voltaje.

Finalmente, la estructura del circuito debe considerarse cuidadosamente como un todo y dividirse en módulos separados, cada uno con muchos componentes. Los componentes deben distribuirse según módulos. Por ejemplo, circuitos amplificadores de alta frecuencia o mezcladores deben colocarse juntos para reducir efectivamente el área de bucle de alambre, el consumo y la radiación electromagnética. Además, evita interferencia mutua entre módulos.

Tendido (Routing)

El tendido se implementa tras el layout básico, clasificado en tendido detallado y global. El primero es el tendido dentro de diferentes módulos. Aunque puede ocurrir en diseño de IC, el tendido detallado preliminar se completa antes de la adquisición de componentes. A veces solo se requiere pequeña modificación.

El tendido global es el tendido mutuo entre módulos o el tendido de red entre potencia y cada módulo. Algunos aspectos deben considerarse en el tendido global. Muchas limitaciones surgen por la particularidad de posición y diferente distancia entre módulos. Si cada módulo se considera un punto y se determina la conexión entre puntos, se genera el mejor plan con la longitud de tendido más corta, ahorrando coste de material y haciendo el circuito simple y ordenado.

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