RF PCB 설계의 단점 및 솔루션

RF(무선 주파수) PCB(인쇄 회로 기판) 설계에는 많은 불확실성이 있으므로 "블랙 아트"로 설명됩니다. 일반적으로 말해서, 마이크로파 이하 주파수의 회로(저주파 및 저주파 디지털 회로 포함)의 경우 신중한 레이아웃은 모든 설계 원칙을 마스터한 회로 설계에서 처음으로 성공을 보장합니다. 그러나 마이크로웨이브 이상의 주파수 및 고주파 PC 레벨 디지털 회로의 경우 2~3가지 버전의 PCB가 회로 품질을 보장할 수 있습니다. 그러나 RF 회로가 마이크로파보다 높은 주파수에 관한 한 지속적인 개선을 위해서는 더 많은 버전의 PCB 설계가 필요합니다. 따라서 RF 회로를 설계하는 과정에서 많은 어려움을 겪게 됩니다.

RF 회로 설계에서 가장 흔히 볼 수 있는 문제

• 디지털 회로 모듈과 아날로그 회로 모듈 간의 간섭

아날로그 회로(RF 회로)와 디지털 회로가 독립적으로 작동할 때 완벽하게 작동할 가능성이 가장 높습니다. 그러나 종속된 동일한 전원 공급 장치를 사용하여 동일한 회로 기판에서 함께 혼합되면 디지털 신호가 접지와 양의 전원 공급 장치(>3V) 사이에서 자주 스윙하고 주기가 매우 짧기 때문에 전체 시스템이 불안정해질 수 있습니다. 나노초 단위. 더 큰 진폭과 더 짧은 스위칭 시간으로 인해 모든 디지털 신호에는 스위칭 주파수에 독립적인 고주파 요소가 포함됩니다. 아날로그 섹션에서 전압은 일반적으로 무선 튜닝 루프에서 무선 장비 수신기까지 1μV 미만입니다. 따라서 라디오 튜닝 루프와 RF 신호의 차이는 120dB에 달할 수 있습니다. 분명히 디지털 신호와 RF 신호가 깔끔하게 분리되지 않으면 약한 RF 신호가 손상될 수 있습니다. 결과적으로 무선 장비의 작업성이 저하되거나 작동하지 않을 수 있습니다.

• 전원 공급 장치의 노이즈 간섭

RF 회로는 특히 글리치 전압 및 기타 고주파 고조파에 해당하는 노이즈에 매우 민감합니다. 마이크로컨트롤러는 각 내부 클록 주기 내에서 갑자기 대부분의 전류를 흡수합니다. 이는 모든 최신 마이크로컨트롤러가 CMOS 기술을 적용하여 제조되기 때문입니다. 따라서 마이크로컨트롤러가 1MHz의 내부 클록 주파수에서 실행되고 그런 다음 그러한 주파수에서 전원 공급 장치에서 전류를 추출한다고 가정합니다. 적절한 전력 디커플링이 적용되지 않으면 전력선에 전압 글리치가 발생합니다. RF 회로의 전원 핀에 전압 글리치가 도달하면 심각한 경우 고장이 발생할 수 있습니다.

• 불합리한 GND

RF 회로에 대해 GND를 무리하게 설정하면 이상한 결과가 발생할 수 있습니다. 디지털 회로 설계의 경우 GND를 사용할 수 없더라도 대부분의 디지털 회로 기능을 훌륭하게 구현할 수 있습니다. 그러나 RF에 관한 한 짧은 접지선도 인덕터와 같은 역할을 합니다. 1nH의 인덕턴스는 길이 1mm와 호환되는 것으로 알려져 있으며, 이를 기반으로 길이가 10mm인 PCB의 유도성 리액턴스는 약 27Ω이어야 함을 대략적으로 알 수 있습니다. GND가 적용되지 않으면 대부분의 접지선이 너무 길어서 회로가 설계에 따른 특성을 나타내지 못합니다.

• 다른 아날로그 회로의 안테나에 의한 방사 간섭

PCB 레이아웃 설계에서 다른 아날로그 회로도 보드에서 사용할 수 있습니다. 예를 들어 많은 회로에는 ADC(아날로그-디지털 변환기) 또는 DAC(디지털-아날로그 변환기)가 포함되어 있습니다. RF 송신기에서 전송되는 고주파 신호는 안테나와 같이 모든 회로 라인이 RF 신호를 송수신하기 때문에 ADC의 아날로그 입력 단자에 도달할 수 있습니다. ADC의 입력 단자가 부적절하게 처리되면 RF 신호가 ADC 입력의 ESD 다이오드 내에서 자기 여기되어 ADC 편차를 유발할 수 있습니다.

RF 회로 설계 원리 및 체계

• RF 레이아웃의 정의

RF 레이아웃을 설계할 때 다음 일반 원칙을 먼저 준수해야 합니다.
① 고출력 증폭기(HPA)와 저잡음 증폭기(LNA)를 최대한 분리해야 합니다. 간단히 말해서, 고주파 RF 송신 회로는 저주파 RF 수신 회로와 멀리 떨어져 배치됩니다.
② PCB 기판의 고주파 영역은 최소한 완전한 접지가 가능해야 하며 관통 구멍이 없는 것이 가장 좋습니다. 그 위에 놓으십시오. 동박 면적이 클수록 좋습니다.
③ 회로와 전력이 디커플링(decoupling)되는 것은 동등하게 중요합니다.
④ RF 출력은 RF 입력에서 멀리 떨어져 있어야 합니다.
⑤ 민감한 아날로그 신호 고속 디지털 신호와 RF 신호는 가능한 한 멀리 떨어져 있어야 합니다.

• 물리적 분할 및 전기적 분할의 설계 원리

파티셔닝은 물리적 파티셔닝과 전기적 파티셔닝으로 분류할 수 있습니다. 전자는 주로 구성 요소 레이아웃, 방향 및 차폐와 관련된 반면 후자는 전원 분배, RF 라우팅, 민감한 회로, 신호 및 접지 분할로 더 분류될 수 있습니다.

ㅏ. 물리적 파티션 원칙

구성 요소 레이아웃 원칙. 구성 요소 레이아웃은 RF 설계를 잘 수행하는 데 중요한 역할을 합니다. 가장 효과적인 기술은 RF 경로를 따라 배치된 부품을 먼저 고정하고 방향을 수정하여 출력에서 ​​멀리 떨어진 입력으로 RF 경로를 최소화하고 고전력 회로와 저전력 회로를 최대한 분리하는 것입니다.

PCB 적층 설계 원리. 가장 효율적인 회로 적층 방법은 첫 번째 평면 아래의 두 번째 레이어에 주 접지면을 배치하고 첫 번째 평면에 RF 트레이스를 배치하는 것입니다. RF 경로의 관통 구멍 크기는 최소로 줄여야 경로 인덕턴스를 줄이고 주 접지의 콜드 솔더 조인트 수를 줄일 수 있습니다. 또한 라미네이션 내의 다른 영역으로 더 적은 RF 에너지가 누출됩니다.

RF 구성 요소 및 RF 추적 원리. 물리적 공간 내에서 다단 증폭기와 같은 선형 회로는 모든 RF 영역을 분리할 수 있지만 듀플렉서, 믹서 및 중간 주파수 증폭기/믹서는 종종 여러 RF/IF 신호 간에 상호 간섭을 유발합니다. 따라서 이러한 유형의 영향은 신중하게 최소화해야 합니다. RF/IF 트레이스는 교차되어야 하며 그 사이에 접지가 남아 있어야 합니다. 올바른 RF 경로는 PCB 성능에 매우 중요합니다. 이것이 부품 레이아웃이 휴대폰 PCB 설계에서 대부분의 시간을 차지하는 이유입니다.

비. 전기 분할 원리

동력 전달 원리. 대부분의 휴대폰 회로에서 DC는 일반적으로 매우 낮기 때문에 트레이스 폭을 신중하게 고려할 필요가 없습니다. 그러나 가능한 한 폭이 넓은 대전류 트레이스는 전송되는 전압을 최소로 줄이기 위해 고전력 증폭기의 전원 공급 장치에 대해 독립적으로 설계해야 합니다. 너무 많은 전류 손실을 방지하려면 한 평면에서 다른 평면으로 전류를 전송하기 위해 여러 개의 관통 구멍을 적용해야 합니다.

고전력 장치의 전력 분리. 고전력 증폭기의 전원 핀에서 완전한 결합이 이루어지지 않으면 고전력 잡음이 기판 전체로 방사되어 많은 문제가 발생한다. 고전력 증폭기 접지는 매우 필수적이며 일반적으로 설계를 위해 금속 차폐 덮개가 필요합니다.

RF 입출력 분리 원리. 대부분의 상황에서 RF 출력이 RF 입력에서 멀리 떨어져 있음을 보장하는 것이 동등하게 필수적이며 이는 증폭기, 범퍼 및 필터에서도 작동합니다. 최악의 경우 앰프와 범퍼의 입력이 적당한 위상과 진폭으로 입력단자로 복귀하면 자려진동이 발생할 수 있다. 최상의 상황에서는 어떤 온도와 전압에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 사실, 그것들은 불안정해지고 RF 신호에 잡음과 상호 변조 신호를 추가할 수 있습니다.

결론적으로 RF 회로는 분산된 매개변수 회로로 인해 표피 효과 및 결합 효과가 있어 저주파 회로 및 DC와 다릅니다. 따라서 RF 회로 PCB 설계 시 위에서 논의한 문제를 특히 강조하여 회로 설계가 효과적이고 정확할 수 있도록 해야 합니다.

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