In technische terminologie kunnen we spreken van RF-printplaten wanneer de bedrijfsfrequentie van de signalen hoger is dan 100 MHz. Deze categorie omvat microgolfprintplaten waarbij de frequenties van de RF-signalen hoger zijn dan 2 GHz. RF-printplaten worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder draadloze transmissiesystemen, smartphones, radars, sensoren en beveiligingssystemen. Vergeleken met traditionele printplaten zijn RF-printplaten complexer in het ontwerp, vooral wat betreft signaalintegriteit, ruisimmuniteit, elektromagnetische interferentie en krappe impedantietoleranties.
De uitdagingen die moeten worden aangegaan
RF-signalen zijn bijzonder gevoelig voor ruis en daardoor is de kans op signaalrimpeling of -reflectie niet ongewoon. Impedantie is ook bijzonder kritisch in deze klasse schakelingen waarin het noodzakelijk is de impedantiewaarde langs alle sporen van de schakeling te beheersen. Het is ook noodzakelijk de vermogensverliezen te beperken die door signaalreflecties worden veroorzaakt door geschikte paden te creëren voor de retourstroom die, naarmate de frequentie toeneemt, de neiging heeft de paden te volgen die de laagste inductantiewaarde bieden. Naarmate de prestaties en de dichtheid van de componenten toenemen, gaat overspraak, d.w.z. de overdracht van energie tussen aangrenzende sporen als gevolg van inductieve of capacitieve koppelingen, een hoofdrol spelen.
Bij het ontwerpen van RF-circuits moet rekening worden gehouden met materiaaleigenschappen zoals de dissipatiefactor en de diëlektrische constante. Een gebruikelijk materiaal zoals FR-4 heeft een hogere dissipatiefactor dan specifieke materialen voor hoge frequenties, zoals Rogers laminaten, wat resulteert in aanzienlijke insertieverliezen die bij hogere frequenties toenemen. Bovendien kan de diëlektrische constante van FR-4 met 10% toenemen naarmate de frequentie toeneemt, wat leidt tot impedantievariaties langs de printplaatsporen.
1 – Materiaalkeuze
Materialen die gewoonlijk worden gebruikt bij de fabricage van printplaten, zoals FR-4 (vlamvertragend niveau 4), zijn erg goedkoop, maar zijn over het algemeen niet de meest geschikte keuze voor hoogfrequente RF-toepassingen, vooral gezien de non-uniformiteit van de diëlektrische constante en een slechtere invalshoek. Voor RF-printplaten worden specifieke materialen gebruikt, zoals FEP, PTFE, keramiek, koolwaterstoffen en verschillende soorten glasvezel. De PFE- en PTFE-materialen, die tot de fluorpolymeerfamilie behoren, verbeteren de chemische bestendigheid van het basismateriaal, hebben antikleef- en gladheidseigenschappen, evenals een buitengewone hittebestendigheid (ze zijn zelfs bestand tegen temperaturen boven de 200°C). Als het budget geen probleem is en de kwaliteit belangrijker is dan de prijs, is de beste oplossing PTFE met glasvezel, eventueel geweven glasvezel. Tegen een lagere kostprijs wordt PTFE met keramische coating geplaatst, wat een minder complex fabricageproces vereist. Vele fabrikanten van printplaten gebruiken Rogers materialen die door Rogers Advanced Connectivity Solutions (ACS) worden vervaardigd, een belangrijke producent van diëlektrica, laminaten en prepregs voor hoogfrequente RF-toepassingen. Met Rogers materialen, ook al zijn ze duurder, kunnen vermogensverliezen tot 50% worden beperkt, kunnen hoge prestaties worden gegarandeerd, zelfs boven 20 GHz, en kan een lage diëlektrische-constantewaarde worden gegarandeerd die stabiel en herhaalbaar blijft wanneer de frequentie varieert. Aangezien RF-printplaten meestal uit meerdere lagen bestaan, is de meest gebruikelijke aanpak het gebruik van verschillende materialen die voldoen aan de eisen inzake elektrische prestaties, thermische eigenschappen en kosten. Zo kunnen voor de buitenlagen hoogwaardige Rogers laminaten worden gebruikt, terwijl voor de binnenlagen goedkopere epoxyglaslaminaten kunnen worden gebruikt.
2 – Transmissielijnen
RF-printplaten vereisen transmissielijnen (microstrip, striplijn, coplanaire golfgeleider of andere) waarin de impedantiewaarde strikt onder controle moet blijven om vermogensverliezen te vermijden en de signaalintegriteit te waarborgen. Bij microstriptransmissielijnen (figuur 1) bepalen de breedte van het spoor, de dikte van de laag en het type diëlektricum de waarde van de karakteristieke impedantie, waarvan de typische waarden 50Ω en 75Ω zijn. Microstrips worden gebruikt op de buitenlagen, terwijl striplijnen worden gebruikt op de binnenlagen. De coplanaire golfgeleiders (geaard) bieden daarentegen de beste isolatiegraad, vooral in het geval van RF-signalen die zeer dicht bij elkaar liggende sporen kruisen.
Figuur 1: microstrip-, striplijn- en coplanaire golfgeleidersporen
De waarde van de karakteristieke impedantie (en bijgevolg de breedte van het spoor) kan worden berekend met behulp van een van de talrijke online beschikbare hulpmiddelen, met dien verstande dat de waarde van de diëlektrische constante εR van elke laag exact bekend moet zijn (als bijvoorbeeld een FR-4-binnenlaag een εR = 4,2 heeft, kan een buitenlaag van prepreglaminaat een εR = 3,8 hebben).
3 – Impedantie en inductantie
Een door ontwerpers veel gebruikte benadering is het kiezen van een gemeenschappelijke impedantiewaarde (meestal 50Ω) en bijgevolg alleen de RF-componenten (filters, antennes, versterkers) te selecteren die deze karakteristieke impedantie hebben. De 50Ω-waarde heeft het voordeel zeer wijdverspreid te zijn en vereenvoudigt de impedantie-afstemming, zodat aan elk printplaatspoor de juiste breedte kan worden toegekend.
De inductantie kan daarentegen een grote invloed hebben op het ontwerp van een RF-printplaat en moet daarom zo laag mogelijk worden gehouden. Dit wordt bereikt door een goede aardverbinding te voorzien voor elke RF-component, door gebruik te maken van meerdere via-gaten en voldoende brede aardingsvlakken zonder openingen of discontinuïteiten. Aardingsvlakken moeten naast hoogfrequente componenten en sporen worden geplaatst.
4 – Routering
Een eerste regel betreft de kromming en de hoeken die op een spoor aanwezig zijn. Als een transmissielijn een verandering van richting nodig heeft voor routeringsdoeleinden, verdient het de voorkeur een boog te maken met een kromtestraal gelijk aan ten minste driemaal de spoorbreedte. Dit zorgt ervoor dat de karakteristieke impedantie constant blijft langs de gehele kromlijnige doorsnede. Als dit niet mogelijk is, teken dan een hoek, maar vermijd rechte hoeken die vervangen moeten worden door een paar hoeken van 45°.
Indien een transmissielijn twee of meer lagen moet doorkruisen, verdient het aanbeveling voor elke kruising ten minste twee via-gaten aan te brengen om de daaruit voortvloeiende variatie in inductantie te minimaliseren. Een via-paar kan immers de inductantievariatie met 50% verminderen, waarbij de grootste diameterwaarde wordt gebruikt die compatibel is met de spoorbreedte voor de gaten. De sporen die de RF-componenten verbinden moeten zo kort mogelijk worden gehouden, voldoende uit elkaar liggen en orthogonaal zijn gerangschikt op de aangrenzende lagen, vooral als deze worden gekruist door gevoelige signalen.
Wat de stapeling betreft, is de beste oplossing de meerlaagse configuratie bestaande uit vier lagen. Ook al is de kostprijs hoger dan bij een dubbellaagse oplossing, de resultaten zijn veel beter en gemakkelijk herhaalbaar. Doorlopende aardingsvlakken moeten worden aangebracht onder de sporen die RF-signalen dragen, aangezien hoge frequenties de discontinuïteiten van de aardingsvlakken niet verdragen.
5 – Isolatie
Bijzondere aandacht moet worden besteed aan het vermijden van gevaarlijke koppelingen tussen de signalen. De RF-transmissielijnen moeten zo veel mogelijk gescheiden worden gehouden van andere sporen (vooral als ze worden gekruist door snelle signalen zoals HDMI, Ethernet, USB, klok, differentiële signalen enz.) en mogen geen lange stukken parallel aan elkaar lopen. De koppeling tussen parallelle microstrips neemt namelijk toe naarmate de afstand tussen de microstrips kleiner wordt en de afstand die in parallelle richting wordt afgelegd groter. Evenzo moeten sporen die signalen met een hoog vermogen dragen, geïsoleerd worden van andere delen van de schakeling. Een uitstekende isolatiewaarde kan worden verkregen door gebruik te maken van de geaarde coplanaire golfgeleiders.
Sporen die signalen met een hoog vermogen dragen, moeten op een andere laag worden gerouteerd dan RF-signalen, om koppelingsverschijnselen te voorkomen. De voedingsleidingen moeten ook op aparte lagen worden gerouteerd door geschikte ontkoppelings-/bypass-condensatoren toe te voegen.
6 – Aardingsvlakken
Het is gebruikelijk om ononderbroken aardingsvlakken (zonder onderbreking) aan te brengen naast elke laag die componenten of RF-transmissielijnen bevat. In het geval van striplijnen zijn zowel boven als onder de middengeleider speciale aardingsvlakken nodig. Via-gaten kunnen worden aangebracht op RF-sporen en in de nabijheid van RF-componenten, waardoor de effecten van parasitaire inductanties die worden veroorzaakt door stroom-terug-naar-aardepaden worden verminderd. Via-gaten helpen ook de koppeling te verminderen tussen RF-lijnen en andere signalen die door de printplaat lopen.
7 – Overbruggingscondensator
Passende overbruggingscondensatoren, zowel in enkele configuratie als in een sterconfiguratie, moeten dicht bij de voedingspinnen worden geplaatst. In de sterconfiguratie, die vooral nuttig is voor componenten met meerdere voedingspinnen, wordt een overbruggingscondensator met hogere capaciteit (enkele tientallen microfarad) in het centrum van de ster geplaatst, terwijl andere condensatoren met lagere capaciteit in de buurt van elke tak worden geplaatst. De sterconfiguratie vermijdt lange retourpaden naar de aarde en vermindert parasitaire inductanties die het begin van ongewenste terugkoppellussen zouden kunnen veroorzaken. Er moet bijzondere aandacht worden besteed aan de waarde van de zelfresonantiefrequentie van de condensator, aangezien boven deze waarde de condensator inductieve kenmerken gaat vertonen, waardoor de ontkoppelende werking teniet wordt gedaan.
8 – Aardingsvlakken van componenten
De meeste geïntegreerde schakelingen vereisen een ononderbroken aardingsvlak op de componentenlaag (bovenste of onderste laag van de printplaat) dat direct onder de component wordt aangebracht. Dit vlak heeft tot doel de retourstromen van de CC- en RF-signalen naar het toegewezen aardingsvlak te leiden. Bovendien hebben de zogenaamde ‘ground paddles’ (figuur 2) als nevenfunctie het afvoeren van overtollige warmte en moeten daarom worden voorzien van geschikte via-gaten. Deze via’s moeten doorvoergaten zijn, zodat ze meerdere lagen van de printplaat doorkruisen, inwendig geplateerd zijn en opgevuld zijn met thermisch geleidende pasta om het dissipatie-effect te versterken.
Figuur 2: Printplaat met ruimte voorbehouden voor een ‘ground paddle’
