PCB뉴스 - 무선 주파수 회로 기판(FR PCB)이란 무엇입니까?

성공적인 RF PCB 설계에는 전체 설계 프로세스의 모든 단계와 모든 세부 사항에 세심한 주의가 필요합니다. 이는 설계 시작 시 철저하고 신중한 계획을 세우고 각 설계 단계의 진행 상황을 포괄적이고 지속적으로 평가하는 것을 의미합니다.

최근 몇 년 동안 Bluetooth 장치, WLAN(무선 근거리 통신망) 장치 및 휴대폰의 수요와 성장으로 인해 업계에서는 RF 회로 설계 기술에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있습니다. 과거부터 현재까지 RF 회로 기판 설계는 전자기 간섭(EMI) 문제와 마찬가지로 항상 엔지니어가 제어하기 가장 어려운 부분이자 악몽 같은 부분이었습니다. 디자인이 처음부터 성공적이기를 원한다면 신중한 계획과 세부 사항에 대한 주의가 필요합니다.

무선 주파수(RF) 회로 기판 설계는 여전히 이론적인 불확실성이 많기 때문에 종종 "암흑술"로 묘사됩니다. 그러나 이는 부분적인 관점일 뿐입니다. RF 회로 기판 설계에는 여전히 따라야 할 규칙이 많이 있습니다. 그러나 실제 설계에서는 다양한 제약으로 인해 이러한 법칙을 구현할 수 없을 때 이러한 법칙을 어떻게 타협하는가가 실제 실무 기술입니다. 중요한 RF 설계 주제에는 임피던스 및 임피던스 정합, 절연층 재료 및 라미네이트, 파장 및 고조파 등이 포함됩니다. 이 기사에서는 RF 회로 기판 파티션 설계와 관련된 다양한 문제에 중점을 둘 것입니다.

마이크로 비아의 유형

회로기판에 있는 서로 다른 성질의 회로는 분리하되 전자파 장해를 일으키지 않는 최상의 조건에서 연결해야 하므로 마이크로비아를 사용해야 한다. 일반적으로 마이크로 비아의 직경은 0.05mm ~ 0.20mm입니다. 이러한 비아는 일반적으로 블라인드 비아, 매립 비아 및 관통 비아의 세 가지 범주로 나뉩니다. 막힌 구멍은 인쇄 회로 기판의 윗면과 아랫면에 위치하며 일정한 깊이를 가지고 있으며 표면 회로와 아래의 내부 회로를 연결하는 데 사용됩니다. 구멍의 깊이는 일반적으로 특정 비율(개구수)을 초과하지 않습니다. . 매립형 비아는 인쇄회로기판의 내부층에 위치한 연결 구멍을 말하며 회로기판 표면까지 확장되지 않습니다. 위의 두 가지 유형의 홀은 회로 기판의 내부 층에 위치하며 적층 전 스루홀 형성 공정을 사용하여 완성됩니다. 비아홀 형성 과정에서 여러 내부 층이 겹쳐질 수 있습니다. 세 번째 유형은 관통 구멍이라고 하며 전체 회로 기판을 관통하여 내부 상호 연결 또는 부품의 접착 위치 결정 구멍으로 사용할 수 있습니다.

파티셔닝 기술 사용

RF 회로 기판을 설계할 때 고전력 RF 증폭기(HPA)와 저잡음 증폭기(LNA)는 최대한 분리되어야 합니다. 간단히 말하면, 고전력 RF 송신 회로를 저전력 RF 수신 회로로부터 멀리 두십시오. PCB 보드에 공간이 많으면 쉽게 수행할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 구성 요소가 많으면 PCB 공간이 매우 작아지기 때문에 이를 달성하기가 어렵습니다. PCB 보드의 양면에 놓거나 동시에 작동하지 않고 교대로 작동하도록 할 수 있습니다. 고전력 회로에는 RF 버퍼와 VCO(전압 제어 발진기)가 포함되는 경우도 있습니다.

설계적 분할은 물리적 분할과 전기적 분할로 나눌 수 있다. 물리적 파티션은 주로 구성 요소 레이아웃, 방향 및 차폐와 같은 문제를 포함하며, 전기 파티션은 전력 분배, RF 배선, 민감한 회로 및 신호, 접지 및 기타 파티션으로 더 나눌 수 있습니다.

엔터티 파티션

부품 레이아웃은 우수한 RF 설계를 달성하는 핵심입니다. 가장 효과적인 기술은 먼저 RF 경로에 있는 부품을 고정하고 방향을 조정하여 RF 경로의 길이를 최소화하는 것입니다. 그리고 RF 입력은 RF 출력에서 최대한 멀리 두고, 저전력 회로에서는 고전력 회로에서 최대한 멀리 두십시오.

회로 기판을 적층하는 가장 효율적인 방법은 표면층 아래 두 번째 층에 주 접지를 배치하고 가능하면 표면층에 RF 트레이스를 연결하는 것입니다. RF 경로의 비아 크기를 최소화하면 경로 인덕턴스가 줄어들 뿐만 아니라 기본 접지의 잘못된 납땜 접합도 줄어들고 RF 에너지가 스택업 내의 다른 영역으로 누출될 가능성도 줄어듭니다.

물리적 공간에서 다단계 증폭기와 같은 선형 회로는 일반적으로 여러 RF 영역을 서로 격리하는 데 충분하지만 듀플렉서, 믹서 및 IF 증폭기에는 항상 서로 간섭하는 여러 RF/IF 신호가 있으므로 이 효과를 최소화하도록 주의해야 합니다. . RF 및 IF 트레이스는 최대한 교차되어야 하며 접지 영역은 최대한 분리되어야 합니다. 올바른 RF 경로는 전체 PCB 보드의 성능에 매우 중요합니다. 이는 일반적으로 휴대폰 PCB 보드 설계에서 부품 배치가 대부분의 시간을 차지하는 이유입니다.

휴대폰 PCB에서는 일반적으로 PCB 한쪽에 저잡음 증폭기 회로를 배치하고 다른 쪽에 고전력 증폭기를 배치한 다음 마지막으로 이를 통해 같은 쪽 RF 안테나의 한쪽 끝에 연결하는 것이 가능합니다. 반대편에는 듀플렉서와 베이스밴드 프로세서가 있습니다. 이를 위해서는 RF 에너지가 보드의 한 쪽에서 비아를 통해 다른 쪽으로 전달되지 않도록 하기 위한 몇 가지 트릭이 필요합니다. 일반적인 기술은 양쪽에 블라인드 비아를 사용하는 것입니다. RF 간섭이 없는 PCB 양쪽 영역에 블라인드 비아를 배열하면 비아의 부작용을 최소화할 수 있습니다.

금속 방패

여러 회로 블록 사이의 충분한 분리를 유지하는 것이 불가능한 경우도 있습니다. 이 경우 RF 영역 내의 무선 주파수 에너지를 차폐하기 위해 금속 차폐를 고려해야 하지만 금속 차폐에는 다음과 같은 부작용도 있습니다. 제조 비용 및 조립 비용 높다.

불규칙한 모양의 금속 실드를 제조하는 동안 높은 정밀도를 보장하기가 어렵고 직사각형 또는 정사각형 금속 실드는 부품 레이아웃에 일부 제한을 부과합니다. 금속 실드는 납땜해야 하기 때문에 부품 교체 및 결함 교체에 도움이 되지 않습니다. 접지면에 위치하며 구성요소로부터 적절한 거리를 유지해야 하므로 귀중한 PCB 보드 공간을 차지합니다.

금속 쉴드가 최대한 완전한지 확인하는 것이 매우 중요하므로 금속 쉴드에 들어가는 디지털 신호 라인은 최대한 내부 레이어로 라우팅되어야 하며 신호 라인의 다음 레이어를 설정하는 것이 가장 좋습니다. 지상층에 층. RF 신호 라인은 금속 실드 하단의 작은 노치와 접지 노치의 배선 레이어에서 라우팅될 수 있습니다. 그러나 노치는 가능한 한 넓은 접지 영역으로 둘러싸여 있어야 합니다. 다른 신호 레이어의 접지는 가능합니다. 여러 비아를 통해 함께 연결됩니다.

위의 단점에도 불구하고 금속 실드는 여전히 매우 효과적이며 종종 중요한 회로를 분리하기 위한 유일한 솔루션입니다.

전원 공급 장치 분리 회로

또한 적절하고 효과적인 칩 전력 디커플링(decoupling) 회로도 매우 중요합니다. 선형 회로를 통합한 많은 RF 칩은 전원 공급 장치 잡음에 매우 민감하며, 각 칩에는 일반적으로 모든 전원 공급 장치 잡음을 필터링하기 위해 최대 4개의 커패시터와 절연 인덕터가 필요합니다.

최소 커패시턴스 값은 일반적으로 커패시터 자체의 공진 주파수와 핀 인덕턴스에 따라 달라지며 이에 따라 C4 값이 선택됩니다. C3 및 C2의 값은 자체 핀 인덕턴스로 인해 상대적으로 크기 때문에 RF 디커플링 효과는 좋지 않지만 저주파 잡음 신호를 필터링하는 데 더 적합합니다. RF 디커플링은 인덕터 L1에 의해 완료되며, 이는 RF 신호가 전력선에서 칩으로 결합되는 것을 방지합니다. 모든 트레이스는 RF 신호를 수신하고 전송할 수 있는 잠재적인 안테나이기 때문에 중요한 회로 및 구성 요소에서 RF 신호를 격리해야 합니다.

이렇게 분리된 구성 요소의 물리적 위치도 중요한 경우가 많습니다. 이러한 중요한 구성요소의 레이아웃 원칙은 다음과 같습니다. C4는 IC 핀에 최대한 가까워야 하고 접지되어야 하며, C3은 C4에 가장 가까워야 하고, C2는 C3에 가장 가까워야 하며, IC 핀과 C4 사이의 연결 트레이스는 다음과 같아야 합니다. 각 구성 요소(특히 C4)의 접지 단자는 일반적으로 보드 아래의 첫 번째 접지 레이어를 통해 칩의 접지 핀에 연결되어야 합니다. 부품과 접지층을 연결하는 비아 홀은 PCB의 부품 패드에 최대한 가까워야 하며, 연결 라인의 인덕턴스를 최소화하려면 패드에 뚫린 블라인드 홀을 사용하는 것이 가장 좋습니다. C1.

집적 회로 또는 증폭기에는 개방형 컬렉터 출력이 있는 경우가 많으므로 높은 임피던스 RF 부하와 낮은 임피던스 DC 소스를 제공하기 위해 풀업 인덕터가 필요합니다. 인덕터의 전원 공급 장치 측이 분리되어 있습니다. 일부 칩은 작동하기 위해 여러 개의 전원 공급 장치가 필요하므로 개별적으로 분리하려면 2~3세트의 커패시터와 인덕터가 필요할 수 있으며, 이는 칩 주변에 충분한 공간이 없으면 효과적이지 않을 수 있습니다.

특히, 인덕터가 병렬로 서로 가까이 있는 경우가 거의 없다는 사실에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 이는 공심 변압기를 형성하고 서로 간섭 신호를 유도하므로 인덕터 사이의 거리는 최소한 높이와 같아야 합니다. 그 중 하나 또는 직각으로 배치되어 상호 인덕턴스를 최소화합니다.

전기 구역

전기 구역화는 원칙적으로 물리적 구역화와 동일하지만 몇 가지 추가 요소가 포함됩니다. 최신 휴대폰의 일부 부품은 서로 다른 작동 전압을 사용하며 배터리 수명을 연장하기 위해 소프트웨어로 제어됩니다. 즉, 휴대폰은 여러 전원에서 작동해야 하므로 더 많은 절연 문제가 발생합니다. 전원은 일반적으로 커넥터를 통해 공급되며 보드 외부의 소음을 필터링하기 위해 즉시 분리된 다음 분배되기 전에 스위치 또는 조정기 세트를 통과합니다.

휴대폰에서는 대부분의 회로의 DC 전류가 매우 작기 때문에 일반적으로 트레이스 폭은 문제가 되지 않습니다. 그러나 고전력 증폭기의 전원 공급 장치를 위해 고전류 트레이스를 최대한 넓게 설계해야 합니다. 전송 중 전압 강하를 최소화할 수 있습니다. 너무 많은 전류 손실을 방지하려면 한 레이어에서 다른 레이어로 전류를 전달하는 데 여러 개의 비아가 필요합니다. 또한, 고전력 증폭기가 공급 핀에서 적절하게 분리되지 않으면 고전력 노이즈가 보드 전체에 퍼져 온갖 문제를 일으킬 수 있습니다. 고전력 증폭기의 접지는 매우 중요하며 종종 금속 실드 설계가 필요합니다.

RF 출력은 RF 입력에서 멀리 떨어져 있어야 합니다.

대부분의 경우 RF 출력을 RF 입력에서 멀리 유지해야 합니다. 이 원리는 증폭기, 버퍼 및 필터에도 적용됩니다. 최악의 경우, 출력이 적절한 위상과 진폭으로 입력으로 피드백되면 증폭기와 버퍼는 자체 발진할 가능성이 있습니다. 이는 불안정해지고 RF 신호에 잡음 및 상호 변조 제품을 추가할 수 있습니다.

RF 신호 라인이 필터의 입력 끝에서 출력 끝으로 다시 감싸면 필터의 대역 통과 특성이 심각하게 손상될 수 있습니다. 입력과 출력 간의 우수한 절연을 달성하려면 먼저 필터 주변에 주 접지 영역이 있어야 하고, 두 번째로 필터 아래 영역도 접지 영역이어야 하며 이 접지 영역은 주변의 주 접지 영역에 연결되어야 합니다. 필터. 필터를 통과해야 하는 신호선을 필터 핀에서 최대한 멀리 두는 것도 좋은 생각입니다. 또한 보드 전체의 다양한 위치를 접지할 때 세심한 주의를 기울여야 합니다. 그렇지 않으면 원하지 않는 결합 채널이 자신도 모르게 유입될 수 있습니다. (그림 2)는 이러한 접지 방법을 자세히 보여줍니다.

때로는 단일 종단 또는 균형 잡힌 RF 추적을 사용하도록 선택할 수 있습니다. 누화 및 EMC/EMI의 동일한 원칙이 여기에 적용됩니다. 균형 잡힌 RF 신호 라인은 올바르게 라우팅되면 잡음과 누화를 줄일 수 있지만 일반적으로 임피던스가 더 높습니다. 또한, 임피던스 매칭된 신호 소스, 트레이스, 로드를 얻기 위해서는 합리적인 선폭을 유지해야 하는데, 이는 실제 배선에서는 어려울 수 있다.

완충기

버퍼는 동일한 신호를 두 부분으로 분할하고 이를 사용하여 다른 회로를 구동할 수 있기 때문에 격리를 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 특히, 로컬 발진기는 여러 믹서를 구동하기 위해 버퍼가 필요할 수 있습니다. 믹서가 RF 주파수에서 공통 모드 격리에 도달하면 제대로 작동하지 않습니다. 버퍼는 회로가 서로 간섭하지 않도록 다양한 주파수에서 임피던스 변화를 효과적으로 격리합니다.

버퍼는 구동해야 하는 회로 바로 뒤에 배치할 수 있으므로 고전력 출력 트레이스를 매우 짧게 유지하므로 설계에 큰 도움이 됩니다. 보드의 다른 구성요소에 의해 영향을 받습니다. 회로가 간섭을 일으키고 있습니다.

전압 제어 발진기

VCO(전압 제어 발진기)는 변화하는 전압을 변화하는 주파수로 변환할 수 있습니다. 이 기능은 고속 채널 스위칭에 사용되지만 제어 전압의 소량의 잡음을 작은 주파수 변화로 변환하므로 RF 신호에 잡음이 추가됩니다. 즉, 전압 제어 발진기로 처리한 후 RF 출력 신호에서 잡음을 제거할 수 있는 방법이 없습니다. 어려운 점은 VCO 제어선의 원하는 대역폭이 DC에서 2MHz까지 가능하며, 이렇게 넓은 대역의 잡음을 필터를 통해 제거하는 것이 거의 불가능하다는 점입니다. 둘째, VCO 제어선은 일반적으로 주파수를 제어하는 피드백입니다. 루프의 일부로 인해 여러 위치에서 잡음이 발생할 수 있으므로 VCO 제어 라인은 세심한 주의를 기울여 처리해야 합니다.

공진회로

탱크 회로는 송신기와 수신기에 사용되며 VCO와 관련되어 있지만 고유한 특성도 있습니다. 간단히 말해서 공진 회로는 인덕턴스와 커패시턴스가 병렬로 연결된 일련의 다이오드로 구성된 공진 회로입니다. 이는 VCO 작동 주파수를 설정하고 음성 또는 데이터를 RF 반송파로 변조하는 데 도움이 됩니다.

모든 VCO 설계 원칙은 공진 회로에 동일하게 적용됩니다. 공진 회로는 상당한 수의 구성 요소를 포함하고 넓은 면적을 차지하며 일반적으로 매우 높은 RF 주파수에서 작동하기 때문에 공진 회로는 잡음에 매우 민감한 경우가 많습니다. 신호는 일반적으로 칩의 인접한 핀에 배열되지만 이러한 신호 핀은 더 큰 인덕터 및 커패시터와 협력해야 작동합니다. 대신 이러한 인덕터 및 커패시터는 신호 핀에 최대한 가깝게 배치하고 On에 다시 연결해야 합니다. 잡음에 매우 민감한 제어 루프이지만 잡음 간섭을 피하려고 노력하십시오. 이렇게 하는 것은 쉽지 않습니다.

자동 이득 제어 증폭기

AGC(자동 이득 제어) 증폭기도 문제가 발생하기 쉬운 곳입니다. 송신 회로이든 수신 회로이든 AGC 증폭기가 있습니다. AGC 증폭기는 일반적으로 잡음을 효과적으로 필터링할 수 있습니다. 그러나 휴대폰이 신호 강도의 전송 및 수신의 급격한 변화를 처리할 수 있기 때문에 AGC 회로에는 상당한 대역폭이 필요하므로 AGC 증폭기는 잡음을 쉽게 발생시킵니다.

AGC 회로의 설계는 아날로그 회로의 설계 원칙을 따라야 합니다. 즉, 매우 짧은 입력 핀과 매우 짧은 피드백 경로를 사용해야 하며, 둘 다 RF, IF 또는 고속 디지털 신호 라인에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 마찬가지로 좋은 접지도 필수적이며 칩의 전원 공급 장치도 잘 분리되어야 합니다. 입력 또는 출력 끝에서 긴 트레이스를 설계해야 하는 경우 출력 끝에서 구현하는 것이 가장 좋습니다. 왜냐하면 출력 끝의 임피던스는 일반적으로 입력 끝의 임피던스보다 훨씬 낮고 도입될 가능성이 적기 때문입니다. 소음. 일반적으로 신호 레벨이 높을수록 다른 회로에 노이즈가 유입되기 쉽습니다.

지면

RF 트레이스 아래의 접지가 견고한지, 모든 구성 요소가 기본 접지에 단단히 연결되어 있고 소음을 유발할 수 있는 다른 트레이스로부터 절연되어 있는지 확인하십시오. 또한 VCO의 전원 공급 장치가 완전히 분리되었는지 확인하십시오. VCO의 RF 출력은 종종 매우 높은 레벨이므로 VCO 출력 신호는 다른 회로를 쉽게 방해할 수 있으므로 특별한 주의가 필요합니다. VCO. 사실 뷔는 

CO는 RF 영역의 끝 부분에 배치되는 경우가 많으며 때로는 금속 차폐가 필요할 수도 있습니다.

모든 PCB 설계에서는 디지털 회로를 아날로그 회로에서 최대한 멀리 두는 것이 일반적인 원칙이며 RF PCB 설계에도 적용됩니다. 공통 아날로그 접지와 신호 라인을 차폐하고 분리하는 데 사용되는 접지는 일반적으로 똑같이 중요합니다. 또한 RF 라인은 아날로그 라인 및 일부 중요한 디지털 신호로부터 멀리 떨어져 있어야 합니다. 모든 RF 트레이스, 패드 및 구성 요소는 가능한 한 접지된 구리로 둘러싸여 있어야 하며 주 접지에 최대한 연결되어야 합니다. 마이크로비아(Microvia) 구성 보드는 RF 회로 개발 단계에서 매우 유용합니다. 비용을 들이지 않고도 많은 비아를 자유롭게 사용할 수 있습니다. 그렇지 않으면 일반 PCB 보드에 구멍을 뚫으면 개발 비용이 증가하므로 대량 생산에서는 매우 중요합니다. .

절연은 견고한 모놀리식 접지면이 표면 아래 첫 번째 레이어에 직접 배치될 때 가장 좋습니다. 아날로그, 디지털 및 RF 라인을 분리하기 위해 접지면을 여러 조각으로 분할하는 것은 잘 작동하지 않습니다. 왜냐하면 항상 일부 고속 신호 라인이 이러한 별도의 접지면을 통과하게 되므로 좋은 설계가 아니기 때문입니다.

특별한 주의가 필요한 신호 및 제어 라인과 관련된 주제는 많이 있지만 이 기사의 범위를 벗어납니다.

결론

RF PCB 설계가 "무법"인지 여부에 관계없이 몇 가지 기본 RF 설계 규칙을 따르고 몇 가지 우수한 설계 사례를 참조하면 RF 설계 작업을 완료하는 데 도움이 됩니다. 성공적인 RF 설계에는 전체 설계 프로세스의 모든 단계와 모든 세부 사항에 세심한 주의가 필요합니다. 이는 설계 시작 시 철저하고 신중한 계획을 세우고 각 설계 단계의 진행 상황을 포괄적이고 지속적으로 평가하는 것을 의미합니다.