การพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสารได้ทำให้เกิดการประยุกต์ใช้งานวงจรความถี่วิทยุไร้สาย (RF) อย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อย ๆ เช่น ในด้านโทรศัพท์มือถือ ผลิตภัณฑ์บลูทูธ และวงจร RF ได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักของการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การแพร่หลายของ 4G อย่างค่อยเป็นค่อยไปและการเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนของระดับขนาดการส่งผ่านข้อมูลได้นำมาซึ่งความท้าทายต่อการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของวงจร RF ท้ายที่สุดแล้ว จำนวนสัญญาณที่ถูกส่งผ่านโดยวงจร RFทวีความรุนแรงขึ้นหลายร้อยเท่าในทุก ๆ วัน นอกจากนี้ เนื่องจากวงจร RF ถูกนำไปใช้หลัก ๆ ในอุปกรณ์พกพาที่มีคุณลักษณะด้านขนาดเล็กและความสะดวกในการพกพา ข้อกำหนดพื้นฐานของทั้งวงจรจึงอยู่ที่ขนาดที่เล็ก การเดินลายวงจรที่สม่ำเสมอและเหมาะสม และการไม่รบกวนกันระหว่างไมโครคอมโพเนนต์ อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกิดขึ้นระหว่างคอมโพเนนต์ภายในโทรศัพท์มือถือ ไม่ต้องกังวล ยังมีวิธีการบางอย่างที่สามารถนำมาใช้เพื่อลดผลกระทบที่เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ บทความนี้จะนำเสนอการออกแบบ PCB ที่เหมาะสมสำหรับวงจร RF ซึ่งมีลักษณะเด่นคือขนาดเล็กและมีความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนอย่างชัดเจน
การเลือกวัสดุฐานรอง
เนื่องจากวงจรรวม (ICs) บางชนิดถูกสร้างบนซับสเตรต จึงต้องเลือกซับสเตรตที่เหมาะสมสำหรับวงจร RF ก่อน เพื่อใช้เป็นต้นแบบสำหรับรองรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในแง่ของการเลือกวัสดุฐานองค์ประกอบแรกที่ต้องพิจารณา ได้แก่ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก การสูญเสียไดอิเล็กทริก และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน ซึ่งในบรรดาปัจจัยเหล่านี้ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกมีความสำคัญมากที่สุด เนื่องจากส่งผลอย่างมากต่ออิมพีแดนซ์และความเร็วในการส่งสัญญาณของวงจร โดยเฉพาะวงจรที่มีความถี่สูงมากซึ่งมีข้อกำหนดที่เข้มงวดต่อค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ดังนั้น โดยทั่วไปจึงมีกฎเกณฑ์ว่าควรเลือกใช้วัสดุแผ่นรองที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกค่อนข้างต่ำ
ขั้นตอนการออกแบบ PCB
• การออกแบบแผนผังวงจร
ขั้นตอนแรกของการออกแบบ PCB คือการออกแบบแผนผังวงจร ซึ่งต้องทำให้เสร็จสมบูรณ์ด้วยความช่วยเหลือของคอมพิวเตอร์ การออกแบบแผนผังวงจรนั้นดำเนินการผ่านซอฟต์แวร์ออกแบบ PCBซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบแอนะล็อกอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด ก่อนอื่นจะออกแบบแผนผังวงจรโดยการจำลองวงจรจริงในคอมพิวเตอร์ จากนั้นต้องเชื่อมต่อแผนผังวงจรเข้ากับส่วนประกอบที่สอดคล้องกัน ต่อไปจึงทำการจำลองการทำงานตามแผนผังวงจรเพื่อกำหนดความเป็นไปได้ของการทำงานพื้นฐาน
• การออกแบบแผงวงจรพิมพ์
หลังจากออกแบบแผนผังวงจรแล้ว รูปแบบและขนาดของแผ่น PCB สามารถกำหนดได้อย่างเป็นวิทยาศาสตร์ตามแผนผังวงจร รูปแบบและขนาดของแผ่น PCB สามารถปรับให้เหมาะสมได้ตามตำแหน่ง ขนาด รูปแบบ และพารามิเตอร์อื่น ๆ เพื่อให้ทั้งระบบมีประสิทธิภาพสูงสุด ในกระบวนการนี้ จำเป็นต้องกำหนดตำแหน่งของรูยึด รูมอง และรูอ้างอิง
ค้นหาชิ้นส่วนที่จำเป็นทั้งหมด ชิ้นส่วนทั่วไปสามารถหาได้ง่ายในคลังสินค้า หากไม่มีชิ้นส่วนในคลังสินค้า จำเป็นต้องจัดซื้อหรือผลิตชิ้นส่วนขึ้นมาPCBCartมีระบบจัดหาชิ้นส่วนที่มีความเป็นมืออาชีพและมีเสถียรภาพซึ่งลูกค้าสามารถไว้วางใจได้ จากนั้นจำเป็นต้องกระจายชิ้นส่วนและออกแบบการเดินลายวงจรรอบ ๆ ชิ้นส่วนเหล่านั้น ขั้นตอนสุดท้ายคือการตรวจสอบการทำงานของวงจรเพื่อให้มั่นใจว่าประสิทธิภาพของวงจรสามารถตอบสนองความต้องการได้และการทำงานของวงจรมีความเสถียรในระดับพื้นฐาน
เค้าโครงส่วนประกอบ
แตกต่างจากแบบธรรมดาเลย์เอาต์ของคอมโพเนนต์เนื่องจากส่วนประกอบทั้งหมดในวงจร RF มีขนาดเล็กมากตามขนาดของวงจร จึงมีการใช้เทคโนโลยี SMT (surface mount technology) สำหรับการจัดวางชิ้นส่วน และใช้เตารีโฟลว์อินฟราเรดสำหรับการบัดกรีชิ้นส่วนไมโครอิเล็กทรอนิกส์ การบัดกรีเป็นขั้นตอนสำคัญในงานออกแบบวงจร RF ซึ่งคุณภาพของการบัดกรีส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพโดยรวมของทั้งวงจร สำหรับแผ่น PCB ของวงจร RF จำเป็นต้องสร้างความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมระหว่างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นปัจจัยที่ควรคำนึงถึงมากที่สุด การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ จะส่งผลกระทบต่อการทำงานอย่างอิสระของแต่ละชิ้นส่วน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องคัดเลือกชิ้นส่วนที่มีความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนเป็นอันดับแรก
นอกจากนี้ ในกระบวนการทำงานโดยรวมของวงจร กระแสไฟฟ้าในวงจรมีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก ดังนั้น จากมุมมองของวงจร RF นอกเหนือจากการพิจารณาการรบกวนระหว่างองค์ประกอบต่าง ๆ แล้ว ยังจำเป็นต้องคำนึงถึงการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจรต่อวงจรอื่นด้วย การจัดวางวงจรในเชิงมหภาคจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง และหลักการจัดวางวงจรพื้นฐานต่อไปนี้สามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงได้
อันดับแรก การจัดวางชิ้นส่วนควรจัดให้อยู่ในแถวเดียวกัน การกำหนดทิศทางการเข้าสู่ระบบเคลือบดีบุกของแผ่น PCB ถูกนำมาใช้เพื่อลดปัญหาที่เกิดจากการบัดกรีที่ไม่แน่นหนา โดยทั่วไป ระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนควรมีอย่างน้อย 0.5 มม. เพื่อให้สามารถบัดกรีดีบุกระหว่างชิ้นส่วนได้ มิฉะนั้นจะไม่สามารถบัดกรีได้เนื่องจากระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนมีขนาดเล็กเกินไป
ประการที่สอง อินเทอร์เฟซทั้งหมดจะต้องสามารถทำงานร่วมกันได้ภายในระบบ PCB ทั้งตำแหน่ง มิติ และรูปทรงของอินเทอร์เฟซของชิ้นส่วนต้องถูกนำมาพิจารณาเพื่อให้มั่นใจได้ว่ามีการเชื่อมต่อที่ราบรื่นระหว่างกัน ความซับซ้อนของวงจรย่อมนำไปสู่ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างวงจรอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ด้วยผลจากระยะห่างที่น้อยระหว่างบริเวณที่มีความต่างศักย์เหล่านี้ จึงมักเกิดการลัดวงจรขึ้น ดังนั้น ชิ้นส่วนที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไม่ควรถูกจัดวางไว้ใกล้กันเกินไปเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดการลัดวงจร ต้องให้ความสนใจมากเป็นพิเศษในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง
สุดท้ายนี้ โครงสร้างของวงจรจะต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบในภาพรวม และวงจรจะต้องถูกแบ่งออกเป็นโมดูลแยกต่างหาก โดยแต่ละโมดูลประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก ควรกระจายอุปกรณ์ต่าง ๆ ตามโมดูลที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น วงจรขยายความถี่สูงหรือวงจรมิกเซอร์ควรถูกจัดวางไว้รวมกันในระหว่างกระบวนการจัดเลย์เอาต์ เพื่อให้สามารถลดพื้นที่ลูปของสายไฟได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงลดการใช้พลังงานของวงจรและการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ ยังสามารถป้องกันการรบกวนซึ่งกันและกันระหว่างโมดูลต่าง ๆ ได้อีกด้วย
การกำหนดเส้นทาง
การจัดเส้นทางจะถูกดำเนินการหลังจากการจัดวางพื้นฐาน แบ่งออกเป็นการจัดเส้นทางแบบละเอียดและการจัดเส้นทางโดยรวม แบบแรกหมายถึงการจัดเส้นทางภายในโมดูลต่าง ๆ ในวงจร แม้ว่าการจัดเส้นทางแบบละเอียดอาจเกิดขึ้นในงานออกแบบ IC แต่การจัดเส้นทางแบบละเอียดเบื้องต้นจะเสร็จสิ้นก่อนการจัดซื้อชิ้นส่วน บางครั้งเพียงแค่ต้องมีการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยเท่านั้น
การวางเส้นทางโดยรวมหมายถึงการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างโมดูลต่าง ๆ ต่อกันเอง หรือการวางเส้นทางเครือข่ายระหว่างแหล่งจ่ายไฟกับแต่ละโมดูล ในกระบวนการวางเส้นทางโดยรวมจำเป็นต้องคำนึงถึงปัจจัยหลายประการ ข้อจำกัดจำนวนมากจะเกิดขึ้นเนื่องจากตำแหน่งที่มีลักษณะเฉพาะและระยะห่างที่แตกต่างกันระหว่างโมดูล หากมองว่าแต่ละโมดูลเป็นจุดหนึ่งจุด และกำหนดการเชื่อมต่อระหว่างจุดเหล่านั้น ก็จะสามารถสร้างแผนที่ดีที่สุดที่มีความยาวเส้นทางสั้นที่สุดได้ เพื่อประหยัดต้นทุนวัสดุและทำให้วงจรดูเรียบง่ายและเป็นระเบียบ
