Sono presenti molte incertezze nella progettazione di PCB (printed circuit board) RF (radiofrequenza), che per questo viene descritta come una “arte nera”. In generale, quando si tratta di circuiti a frequenze inferiori alle microonde (inclusi i circuiti a bassa frequenza e i circuiti digitali a bassa frequenza), un layout accurato è la garanzia del successo al primo tentativo nella progettazione del circuito, a condizione che tutti i principi di progettazione siano stati padroneggiati. Quando si passa a frequenze superiori alle microonde e a circuiti digitali ad alta frequenza a livello PC, tuttavia, due o tre versioni del PCB sono sufficienti a garantire la qualità del circuito. Per quanto riguarda invece i circuiti RF a frequenze superiori alle microonde, sono necessarie più versioni del progetto PCB per un miglioramento continuo. Di conseguenza, è certo che si incontreranno molte difficoltà durante la progettazione di circuiti RF.
I problemi più comunemente riscontrati nella progettazione di circuiti RF
• Interferenza tra modulo di circuito digitale e modulo di circuito analogico
Quando il circuito analogico (circuito RF) e il circuito digitale funzionano in modo indipendente, è molto probabile che possano operare perfettamente. Ma non appena vengono combinati sulla stessa scheda di circuito stampato e fanno affidamento sulla stessa alimentazione, l’intero sistema può diventare instabile, perché i segnali digitali oscillano frequentemente tra massa e alimentazione positiva (>3 V) e il loro periodo è molto breve, nell’ordine dei nanosecondi. A causa dell’ampiezza maggiore e del tempo di commutazione più breve, tutti i segnali digitali contengono componenti ad alta frequenza che sono indipendenti dalla frequenza di commutazione. Nelle sezioni analogiche, la tensione è solitamente inferiore a 1 μV, dal circuito di sintonia radio al ricevitore dell’apparecchiatura radio. Pertanto, la differenza tra il circuito di sintonia radio e i segnali RF può raggiungere i 120 dB. È evidente che, se i segnali digitali e i segnali RF non vengono separati in modo ordinato, i deboli segnali RF possono subire interferenze. Di conseguenza, le prestazioni operative dell’apparecchiatura radio peggioreranno o potrebbero addirittura venire meno.
• Interferenza di rumore dell'alimentazione
I circuiti RF sono piuttosto sensibili al rumore, il che è particolarmente vero per i glitch di tensione e per le altre onde armoniche ad alta frequenza. Il microcontrollore assorbirà improvvisamente la maggior parte della corrente in ciascun periodo del clock interno, poiché tutti i moderni microcontrollori sono realizzati con la tecnologia CMOS. Pertanto, supponendo che un microcontrollore funzioni a una frequenza di clock interna di 1 MHz, esso preleverà corrente dall’alimentazione a tale frequenza. Se non viene applicato un adeguato disaccoppiamento di alimentazione, si genereranno glitch di tensione sulle linee di alimentazione. Quando i glitch di tensione raggiungono i pin di alimentazione del circuito RF, se sono gravi, possono causare malfunzionamenti.
• GND irragionevole
Se il GND è impostato in modo irragionevole per il circuito RF, si potrebbero generare risultati strani. Per quanto riguarda la progettazione di circuiti digitali, anche se il GND non è disponibile, la maggior parte delle funzioni dei circuiti digitali può essere implementata in modo eccellente. Per quanto riguarda invece l’RF, anche una breve linea di massa svolgerà un ruolo equivalente a quello di un induttore. È noto che un’induttanza di 1 nH corrisponde a una lunghezza di 1 mm, sulla base della quale si può approssimativamente calcolare che la reattanza induttiva di un PCB con una lunghezza di 10 mm dovrebbe essere di circa 27 Ω. Se il GND non viene applicato, la maggior parte delle linee di massa sarà così lunga che il circuito non riuscirà a presentare le caratteristiche previste in fase di progettazione.
• Interferenza irradiata dall'antenna su altri circuiti analogici
Nel design del layout PCB, sono presenti sulla scheda anche altri circuiti analogici. Ad esempio, molti circuiti contengono un convertitore analogico-digitale (ADC) o un convertitore digitale-analogico (DAC). I segnali ad alta frequenza trasmessi dal trasmettitore RF potrebbero raggiungere il terminale di ingresso analogico dell’ADC, poiché qualsiasi linea di circuito trasmetterà o riceverà segnali RF come fa un’antenna. Se il terminale di ingresso dell’ADC non viene trattato in modo appropriato, i segnali RF potrebbero autoeccitarsi all’interno del diodo ESD dell’ingresso ADC, causando così una deviazione dell’ADC.
Principi e schemi di progettazione di circuiti RF
• Definizione del layout RF
Durante la progettazione del layout RF, occorre innanzitutto attenersi ai seguenti principi generali:
① Gli amplificatori di potenza elevata (HPA) e gli amplificatori a basso rumore (LNA) devono essere separati il più possibile. In breve, i circuiti di trasmissione RF ad alta frequenza devono essere posizionati il più lontano possibile dai circuiti di ricezione RF a bassa frequenza.
② Sull’area ad alta frequenza del circuito stampato deve essere disponibile almeno un piano di massa completo ed è preferibile che non vi siano fori passanti su di esso. Più ampia è l’area di rame, meglio è.
③ È altrettanto importante che i circuiti e l’alimentazione passino attraverso il disaccoppiamento.
④ L’uscita RF dovrebbe essere il più lontana possibile dall’ingresso RF.
⑤ I segnali analogici sensibili dovrebbero essere il più lontano possibile dai segnali digitali ad alta velocità e dai segnali RF.
• Principi di progettazione del partizionamento fisico e del partizionamento elettrico
Il partizionamento può essere classificato in partizionamento fisico e partizionamento elettrico. Il primo riguarda principalmente il posizionamento dei componenti, le loro orientazioni e la schermatura, mentre il secondo può essere ulteriormente suddiviso in distribuzione di potenza, instradamento RF, circuiti sensibili, segnali e partizionamento di massa.
a. Principio di partizionamento fisico
Principio di layout dei componentiLa disposizione dei componenti svolge un ruolo essenziale nel contribuire a una progettazione RF ben funzionante. La tecnologia più efficace consiste innanzitutto nel fissare i componenti che sono collocati lungo il percorso RF e modificarne l’orientamento in modo che il percorso RF possa essere ridotto al minimo, con l’ingresso lontano dall’uscita e i circuiti ad alta potenza e a bassa potenza separati il più possibile.
Principio di progettazione della laminazione PCBIl metodo di laminazione dei circuiti più efficiente consiste nel disporre il piano di massa principale al secondo strato sotto il primo piano e nel disporre le tracce RF sul primo piano. Le dimensioni dei fori passanti sul percorso RF devono essere ridotte al minimo, il che può ridurre l’induttanza del percorso e diminuire il numero di giunti di saldatura fredda sul piano di massa principale. Inoltre, una minore quantità di energia RF verrà dispersa in altre aree all’interno della laminazione.
Componenti RF e principio di tracciamento RF. All'interno dello spazio fisico, i circuiti lineari come gli amplificatori multistadio sono in grado di separare tutte le aree RF, ma il duplexer, il mixer e l'amplificatore/mixer a media frequenza spesso portano a interferenze reciproche tra più segnali RF/IF. Pertanto, questo tipo di influenza dovrebbe essere accuratamente ridotto al minimo. Le tracce RF/IF dovrebbero incrociarsi e tra di esse dovrebbe essere lasciato un piano di massa. Un corretto percorso RF è piuttosto importante per le prestazioni del PCB, motivo per cui il posizionamento dei componenti rappresenta la maggior parte del tempo nella progettazione del PCB dei telefoni cellulari.
b. Principio di Partizionamento Elettrico
Principio di trasmissione di potenzaNella maggior parte dei circuiti dei telefoni cellulari la corrente continua è solitamente piuttosto bassa, quindi la larghezza delle piste non deve essere considerata con particolare attenzione. Tuttavia, per l’alimentazione degli amplificatori ad alta potenza, una pista con grande corrente, la cui larghezza sia il più ampia possibile, deve essere progettata in modo indipendente, così da ridurre al minimo la caduta di tensione. Per evitare un’eccessiva perdita di corrente, si dovrebbero utilizzare più fori passanti per trasferire la corrente da un piano all’altro.
Disaccoppiamento di potenza dei dispositivi ad alta potenzaSe non si riesce a ottenere un accoppiamento completo ai pin di alimentazione di un amplificatore di potenza, il rumore ad alta potenza verrà irradiato su tutta la scheda generando numerosi problemi. La messa a terra dell’amplificatore di potenza è molto importante e per la sua progettazione è solitamente necessario un coperchio schermante metallico.
Principio di segregazione dell’ingresso/uscita RFNella maggior parte delle situazioni, è altrettanto essenziale garantire che l’uscita RF sia lontana dall’ingresso RF, il che vale anche per amplificatore, buffer e filtro. Nelle situazioni peggiori, se il segnale in ingresso di amplificatore e buffer viene riportato al loro terminale di ingresso con una fase e un’ampiezza opportune, si può generare un’oscillazione autoeccitata. Nelle situazioni migliori, essi saranno in grado di funzionare stabilmente a qualsiasi temperatura e tensione. In realtà, però, possono diventare instabili e aggiungere rumore e segnali di intermodulazione ai segnali RF.
Tutto sommato, il circuito RF presenta effetto pelle ed effetto di accoppiamento a causa della sua natura di circuito a parametri distribuiti, il che lo rende diverso dai circuiti a bassa frequenza e dalla corrente continua. Di conseguenza, le problematiche discusse sopra devono essere particolarmente enfatizzate durante la progettazione del PCB del circuito RF affinché la progettazione del circuito sia efficace e accurata.
Risorse utili
•Linee guida per la progettazione di PCB RF e a microonde
•Progettazione di PCB per circuiti a radiofrequenza e compatibilità elettromagnetica
•PCBCart offre servizi di fabbricazione di PCB a radiofrequenza
