Rückschläge und Lösungen im RF‑PCB‑Design

Bei der Entwicklung von HF‑ (Hochfrequenz) Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCB) bestehen viele Unwägbarkeiten, weshalb sie oft als „schwarze Kunst“ bezeichnet wird. Allgemein gilt: Bei Schaltungen mit Frequenzen unterhalb des Mikrowellenbereichs (einschließlich Niederfrequenz- und niederfrequenter Digitalschaltungen) ist ein sorgfältiges Layout die Garantie für einen erfolgreichen Erstentwurf, sofern alle Entwurfsgrundsätze beherrscht werden. Bei Frequenzen oberhalb des Mikrowellenbereichs und bei hochfrequenten PC‑Level‑Digitalschaltungen hingegen reichen zwei bis drei PCB‑Versionen aus, um die Schaltungsqualität sicherzustellen. Bei HF‑Schaltungen mit Frequenzen oberhalb des Mikrowellenbereichs sind jedoch mehr PCB‑Versionen erforderlich, um eine kontinuierliche Verbesserung zu erreichen. Daher ist es unvermeidlich, dass bei der Entwicklung von HF‑Schaltungen viele Schwierigkeiten auftreten.

Die am häufigsten auftretenden Probleme im HF-Schaltungsdesign

• Interferenz zwischen Digital-Schaltungsmodul und Analog-Schaltungsmodul

Wenn analoge Schaltungen (HF-Schaltungen) und digitale Schaltungen unabhängig voneinander arbeiten, ist es sehr wahrscheinlich, dass sie einwandfrei funktionieren. Sobald sie jedoch auf derselben Leiterplatte mit derselben Stromversorgung zusammengeführt werden, kann das gesamte System instabil werden, da digitale Signale häufig zwischen Masse und positiver Versorgungsspannung (>3 V) hin- und herschwingen und die Periodendauer im Nanosekundenbereich sehr kurz ist. Aufgrund der größeren Amplitude und der kürzeren Schaltzeiten enthalten alle digitalen Signale Hochfrequenzanteile, die unabhängig von der Schaltfrequenz sind. In analogen Bereichen liegt die Spannung vom Radiotuningschleifen-Kreis bis zum Empfänger des Funkgeräts üblicherweise unter 1 μV. Daher kann der Unterschied zwischen der Radiotuningschleife und den HF-Signalen 120 dB erreichen. Offensichtlich werden schwache HF-Signale möglicherweise beeinträchtigt, wenn digitale Signale und HF-Signale nicht sauber voneinander getrennt werden. Infolgedessen verschlechtert sich die Funktionsfähigkeit des Funkgeräts oder es kann sogar vollständig ausfallen.

• Störgeräusche der Stromversorgung

HF-Schaltungen sind gegenüber Störungen sehr empfindlich, was insbesondere für Spannungsspitzen (Glitches) und andere hochfrequente Oberschwingungen gilt. Ein Mikrocontroller nimmt innerhalb jeder internen Taktperiode plötzlich den Großteil des Stroms auf, da alle modernen Mikrocontroller mit CMOS-Technik gefertigt werden. Angenommen, ein Mikrocontroller arbeitet mit einer internen Taktfrequenz von 1 MHz, dann entnimmt er dem Netzteil mit dieser Frequenz Strom. Wenn keine geeignete Leistungsentkopplung eingesetzt wird, entstehen Spannungsspitzen auf den Versorgungsleitungen. Treffen diese Spannungsspitzen an den Versorgungspins der HF-Schaltung ein, kann dies im schlimmsten Fall zu Fehlfunktionen führen.

• Unangemessene GND

Wenn GND für einen HF‑Schaltkreis unvernünftig festgelegt wird, können einige merkwürdige Ergebnisse auftreten. In der digitalen Schaltungsentwicklung hingegen können die meisten digitalen Schaltungsfunktionen auch dann hervorragend realisiert werden, wenn kein GND verfügbar ist. Für HF‑Schaltungen jedoch wirkt bereits eine kurze Masseleitung wie eine Induktivität. Es ist bekannt, dass eine Induktivität von 1 nH ungefähr einer Länge von 1 mm entspricht. Auf dieser Grundlage lässt sich grob abschätzen, dass die induktive Reaktanz einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte mit einer Länge von 10 mm ungefähr 27 Ω beträgt. Wenn kein GND verwendet wird, werden die meisten Masseleitungen so lang, dass die Schaltung nicht mehr die vorgesehenen Eigenschaften gemäß dem Design aufweist.

• Durch die Antenne verursachte abgestrahlte Störungen auf anderen analogen Schaltungen

Im PCB-Layout-Design sind auf der Leiterplatte auch andere analoge Schaltungen vorhanden. Beispielsweise enthalten viele Schaltungen einen Analog-Digital-Wandler (ADC) oder einen Digital-Analog-Wandler (DAC). Die vom HF-Sender übertragenen Hochfrequenzsignale können möglicherweise am analogen Eingang des ADC ankommen, da jede Leiterbahn HF-Signale wie eine Antenne senden oder empfangen kann. Wenn der ADC-Eingang nicht angemessen verarbeitet wird, können HF-Signale möglicherweise innerhalb der ESD-Diode des ADC-Eingangs eine Eigenerregung verursachen, was dann eine Abweichung des ADC hervorruft.

Prinzipien und Konzepte des HF-Schaltungsentwurfs

• Definition des HF-Layouts

Bei der Auslegung des HF-Layouts sollten zunächst die folgenden allgemeinen Grundsätze beachtet werden:
① Hochleistungsverstärker (HPAs) und rauscharm Verstärker (LNAs) sollten so weit wie möglich voneinander getrennt werden. Kurz gesagt, Hochfrequenz-RF-Sendeschaltungen werden weit entfernt von niederfrequenten RF-Empfangsschaltungen platziert.
② Auf dem Hochfrequenzbereich der Leiterplatte sollte mindestens eine durchgehende Massefläche vorhanden sein, und idealerweise sollten sich darauf keine Durchkontaktierungen befinden. Je größer die Kupferfolienfläche ist, desto besser.
③ Es ist für Schaltungen und Leistung gleichermaßen wichtig, eine Entkopplung vorzunehmen.
④ Der HF-Ausgang sollte weit vom HF-Eingang entfernt sein.
⑤ Empfindliche analoge Signale sollten so weit wie möglich von Hochgeschwindigkeitssignalen und HF-Signalen entfernt sein.

• Gestaltungsprinzipien der physikalischen Partitionierung und der elektrischen Partitionierung

Die Partitionierung lässt sich in physikalische und elektrische Partitionierung unterteilen. Erstere befasst sich hauptsächlich mit der Anordnung der Bauteile, deren Ausrichtung und Abschirmung, während letztere weiter in Leistungs­verteilung, HF‑Leitungsführung, empfindliche Schaltungen, Signale und Masse­partitionierung untergliedert werden kann.

a. Prinzip der physischen Partitionierung

Prinzip des KomponentenlayoutsDas Layout der Bauteile spielt eine wesentliche Rolle für eine gut funktionierende HF-Entwicklung. Die effektivste Vorgehensweise besteht darin, zunächst die Bauteile zu fixieren, die entlang des HF-Pfads platziert sind, und anschließend deren Ausrichtung so zu ändern, dass der HF-Pfad minimiert wird, wobei der Eingang möglichst weit vom Ausgang entfernt ist und Hochleistungsschaltungen und Niedrigleistungsschaltungen so weit wie möglich voneinander getrennt werden.

Prinzipien des PCB-LaminierungsdesignsDie effizienteste Methode der Leiterplatten-Laminierung besteht darin, die Hauptmassefläche auf der zweiten Lage unterhalb der ersten Lage anzuordnen und die HF-Leiterbahnen auf der ersten Lage zu führen. Die Größe der Durchkontaktierungen im HF-Pfad sollte auf ein Minimum reduziert werden, was die Pfadinduktivität verringert und die Anzahl kalter Lötstellen an der Hauptmasse reduziert. Darüber hinaus wird weniger HF-Energie in andere Bereiche innerhalb der Laminierung abgestrahlt.

RF-Komponenten und Prinzip der HF-SignalverfolgungIm physikalischen Raum sind lineare Schaltungen wie mehrstufige Verstärker in der Lage, alle HF‑Bereiche zu trennen, aber Duplexer, Mischer und Zwischenfrequenz‑Verstärker/Mischer führen häufig zu gegenseitigen Störungen zwischen mehreren HF/ZF‑Signalen. Daher sollte diese Art von Beeinflussung sorgfältig minimiert werden. HF/ZF‑Leiterbahnen sollten gekreuzt werden, und zwischen ihnen sollte eine Massefläche vorgesehen werden. Der korrekte HF‑Signalpfad ist für die Leiterplattenleistung äußerst wichtig, weshalb das Bauteillayout den Großteil der Zeit im PCB‑Design für Mobiltelefone in Anspruch nimmt.

b. Prinzip der elektrischen Partitionierung

Prinzip der KraftübertragungDer Gleichstrom in den meisten Schaltungen von Mobiltelefonen ist in der Regel recht gering, sodass die Leiterbahnbreite nicht besonders sorgfältig berücksichtigt werden muss. Für die Stromversorgung von Hochleistungsverstärkern muss jedoch eine Leiterbahn mit hohem Strom, deren Breite so groß wie möglich ist, gesondert ausgelegt werden, um die übertragene Spannung auf ein Minimum zu reduzieren. Um übermäßige Stromverluste zu vermeiden, sollten mehrere Durchkontaktierungen eingesetzt werden, um den Strom von einer Ebene zur anderen zu übertragen.

Leistungsentkopplung von HochleistungsgerätenWenn an den Versorgungspins eines Hochleistungsverstärkers keine vollständige Kopplung erreicht wird, wird Hochleistungsrauschen über die gesamte Leiterplatte abgestrahlt, wodurch zahlreiche Probleme entstehen. Die Erdung des Hochleistungsverstärkers ist äußerst wichtig, und für seine Auslegung wird in der Regel eine metallische Abschirmkappe benötigt.

Prinzip der Trennung von HF-Ein- und AusgängenFür die meisten Situationen ist es ebenso wichtig sicherzustellen, dass der HF-Ausgang weit vom HF-Eingang entfernt ist; dies gilt auch für Verstärker, Puffer und Filter. In den schlimmsten Fällen kann, wenn das Eingangssignal von Verstärker und Puffer mit einer geeigneten Phase und Amplitude an deren Eingangsklemme zurückgeführt wird, eine Selbsterregung verursacht werden. Im besten Fall können sie bei jeder Temperatur und Spannung stabil arbeiten. Tatsächlich können sie jedoch instabil werden und den HF-Signalen Rauschen und Intermodulationssignale hinzufügen.

Alles in allem weist der HF-Schaltkreis aufgrund seiner verteilten Parameter den Skineffekt und Kopplungseffekte auf, was ihn von Niederfrequenzschaltungen und Gleichstrom unterscheidet. Daher sollten die oben genannten Aspekte beim PCB-Design von HF-Schaltungen besonders berücksichtigt werden, damit das Schaltungsdesign effektiv und präzise ist.

Hilfreiche Ressourcen
•Richtlinien für HF- und Mikrowellen-Leiterplattendesign
•Leiterplattendesign für Hochfrequenzschaltungen und elektromagnetische Verträglichkeit
•PCBCart bietet Fertigungsdienstleistungen für Hochfrequenz-Leiterplatten (RF-PCBs) an