มีความไม่แน่นอนมากมายในการออกแบบ PCB (แผงวงจรพิมพ์) สำหรับ RF (ความถี่วิทยุ) จนมักถูกอธิบายว่าเป็น “ศิลปะมืด” โดยทั่วไปแล้ว เมื่อพูดถึงวงจรที่มีความถี่ต่ำกว่าช่วงไมโครเวฟ (รวมถึงวงจรความถี่ต่ำและวงจรดิจิทัลความถี่ต่ำ) การจัดวางเลย์เอาต์อย่างรอบคอบคือสิ่งที่รับประกันความสำเร็จตั้งแต่ครั้งแรกในการออกแบบวงจร เมื่อเข้าไปสู่ความถี่ที่สูงกว่าช่วงไมโครเวฟและวงจรดิจิทัลความถี่สูงระดับพีซี การออกแบบ PCB เพียงสองถึงสามเวอร์ชันก็เพียงพอที่จะรับประกันคุณภาพของวงจร อย่างไรก็ตาม สำหรับวงจร RF ที่มีความถี่สูงกว่าช่วงไมโครเวฟ มักจำเป็นต้องมีการออกแบบ PCB หลายเวอร์ชันเพื่อการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องเผชิญกับความยากลำบากมากมายระหว่างการออกแบบวงจร RF
• การรบกวนกันระหว่างโมดูลวงจรดิจิทัลและโมดูลวงจรแอนะล็อก
เมื่อวงจรแอนะล็อก (วงจร RF) และวงจรดิจิทัลทำงานแยกจากกันโดยอิสระ มีความเป็นไปได้สูงมากที่ทั้งสองจะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ แต่ทันทีที่นำมาผสมกันอยู่บนแผงวงจรเดียวกันและใช้แหล่งจ่ายไฟร่วมกัน ทั้งระบบอาจกลายเป็นไม่เสถียรได้ เนื่องจากสัญญาณดิจิทัลจะแกว่งขึ้นลงระหว่างกราวด์กับแหล่งจ่ายไฟบวก (>3V) อยู่ตลอดเวลา และมีคาบสั้นมากในระดับนาโนวินาที ด้วยแอมพลิจูดที่สูงกว่าและเวลาสวิตช์ที่สั้นกว่า สัญญาณดิจิทัลทั้งหมดจึงมีองค์ประกอบความถี่สูงที่ไม่ขึ้นกับความถี่การสวิตช์
ในส่วนของวงจรแอนะล็อก แรงดันไฟมักมีค่าน้อยกว่า 1μV ตั้งแต่ลูปจูนวิทยุไปจนถึงภาครับของอุปกรณ์วิทยุ ดังนั้นความแตกต่างระหว่างลูปจูนวิทยุกับสัญญาณ RF จึงอาจสูงถึง 120dB เห็นได้ชัดว่า หากไม่สามารถแยกสัญญาณดิจิทัลออกจากสัญญาณ RF ได้อย่างเป็นระเบียบ สัญญาณ RF ที่อ่อนมากอาจได้รับความเสียหาย ส่งผลให้สมรรถนะการทำงานของอุปกรณ์วิทยุเสื่อมลง หรืออาจไม่สามารถทำงานได้เลย
• การรบกวนจากสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ
วงจร RF มีความไวต่อสัญญาณรบกวนค่อนข้างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งต่อแรงดันกระตุก (glitch voltage) และฮาร์มอนิกความถี่สูงอื่น ๆ ไมโครคอนโทรลเลอร์จะดึงกระแสส่วนใหญ่ไปใช้อย่างฉับพลันในแต่ละคาบของสัญญาณนาฬิกาภายใน เนื่องจากไมโครคอนโทรลเลอร์สมัยใหม่ทั้งหมดผลิตขึ้นด้วยเทคโนโลยี CMOS ดังนั้น สมมติว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานที่ความถี่สัญญาณนาฬิกาภายใน 1MHz มันก็จะดึงกระแสจากแหล่งจ่ายไฟที่ความถี่ดังกล่าวด้วย หากไม่มีการใช้การดีคัปปลิงกำลังไฟอย่างเหมาะสม แรงดันกระตุกจะเกิดขึ้นบนสายจ่ายไฟ เมื่อแรงดันกระตุกไปถึงขาพาวเวอร์ของวงจร RF ก็อาจทำให้เกิดความล้มเหลวได้หากมีความรุนแรงมาก
• GND ที่ไม่สมเหตุสมผล
หากมีการกำหนด GND สำหรับวงจร RF อย่างไม่เหมาะสม อาจทำให้เกิดผลลัพธ์ประหลาดได้ เมื่อพูดถึงการออกแบบวงจรดิจิทัล แม้ว่า GND จะไม่พร้อมใช้งาน ฟังก์ชันส่วนใหญ่ของวงจรดิจิทัลก็ยังสามารถถูกนำไปใช้งานได้อย่างยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม สำหรับวงจร RF แล้ว แม้แต่สายกราวด์ที่สั้นก็ยังมีบทบาทเทียบเท่ากับตัวเหนี่ยวนำ เป็นที่ทราบกันว่าค่าความเหนี่ยวนำ 1nH เทียบเท่ากับความยาว 1 มม. จากข้อมูลนี้สามารถคำนวณคร่าว ๆ ได้ว่าปฏิกิริยาเหนี่ยวนำของแผ่น PCB ที่มีความยาว 10 มม. ควรจะอยู่ที่ประมาณ 27Ω หากไม่มีการใช้ GND สายกราวด์ส่วนใหญ่จะยาวมากจนวงจรไม่สามารถแสดงคุณลักษณะตามที่ออกแบบไว้ได้
• การรบกวนแบบแผ่รังสีจากเสาอากาศต่อวงจรแอนะล็อกอื่น ๆ
ในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB จะมีวงจรแอนะล็อกอื่น ๆ อยู่บนบอร์ดด้วย ตัวอย่างเช่น วงจรจำนวนมากมีตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) หรือ ตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) สัญญาณความถี่สูงที่ส่งโดยตัวส่งสัญญาณ RF อาจมาถึงขั้วอินพุตแอนะล็อกของ ADC ได้ เนื่องจากเส้นวงจรใด ๆ ก็สามารถส่งหรือรับสัญญาณ RF ได้เหมือนกับเสาอากาศ หากขั้วอินพุตของ ADC ถูกจัดการอย่างไม่เหมาะสม สัญญาณ RF อาจเกิดการกระตุ้นตัวเองภายในไดโอด ESD ของอินพุต ADC ซึ่งจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนของ ADC ได้
• คำจำกัดความของเลย์เอาต์ RF
เมื่อออกแบบเลย์เอาต์ RF ควรปฏิบัติตามหลักการทั่วไปต่อไปนี้ก่อนเป็นอันดับแรก:
① ควรแยกเครื่องขยายกำลังสูง (HPA) และเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) ออกจากกันให้มากที่สุด กล่าวโดยสรุปคือ วงจรส่งสัญญาณ RF ความถี่สูงควรอยู่ให้ห่างจากวงจรรับสัญญาณ RF ความถี่ต่ำ
② ควรมีพื้นกราวด์ที่สมบูรณ์อย่างน้อยหนึ่งบริเวณบนพื้นที่ความถี่สูงของแผงวงจร PCB และควรหลีกเลี่ยงการมีรูทะลุบนบริเวณนั้น พื้นที่ฟอยล์ทองแดงยิ่งกว้างมากเท่าใดก็ยิ่งดีเท่านั้น
③ การแยกส่วน (decoupling) มีความสำคัญต่อวงจรและพลังงานในระดับเท่าเทียมกัน
④ เอาต์พุต RF ควรอยู่ห่างจากอินพุต RF มาก
⑤ สัญญาณแอนะล็อกที่มีความไวสูงควรอยู่ให้ห่างจากสัญญาณดิจิทัลความเร็วสูงและสัญญาณ RF ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
• หลักการออกแบบของการแบ่งพาร์ทิชันทางกายภาพและการแบ่งพาร์ทิชันทางไฟฟ้า
การแบ่งพาร์ทิชันสามารถจำแนกได้เป็นการแบ่งพาร์ทิชันทางกายภาพและการแบ่งพาร์ทิชันทางไฟฟ้า แบบแรกเกี่ยวข้องกับการจัดวางตำแหน่งของอุปกรณ์ ทิศทางการวาง และการป้องกันสัญญาณรบกวนเป็นหลัก ในขณะที่แบบหลังสามารถจำแนกย่อยได้เป็นการกระจายกำลังไฟ การเดินสาย RF วงจรที่มีความไวต่อสัญญาณ การแบ่งพาร์ทิชันของสัญญาณ และกราวด์
ก. หลักการแบ่งพาร์ทิชันทางกายภาพ
หลักการจัดวางคอมโพเนนต์การจัดวางคอมโพเนนต์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการช่วยให้การออกแบบ RF มีประสิทธิภาพดี เทคโนโลยีที่มีประสิทธิผลมากที่สุดคือการเริ่มจากการยึดคอมโพเนนต์ที่วางอยู่ตามเส้นทาง RF ให้แน่นอนก่อน แล้วปรับทิศทางของคอมโพเนนต์เหล่านั้นเพื่อให้สามารถย่อเส้นทาง RF ให้สั้นที่สุด โดยให้ขาอินพุตอยู่ห่างจากขาเอาต์พุต และแยกวงจรกำลังสูงออกจากวงจรกำลังต่ำให้ได้มากที่สุด
หลักการออกแบบการลามิเนต PCBวิธีการลามิเนตวงจรที่มีประสิทธิภาพสูงสุดคือการจัดวางระนาบกราวด์หลักไว้ที่ชั้นที่สองด้านล่างระนาบแรก และจัดวางร่องรอยสัญญาณ RF ไว้ที่ระนาบแรก ขนาดของรูทะลุบนเส้นทาง RF ควรถูกลดให้เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งสามารถลดค่าความเหนี่ยวนำของเส้นทางและลดจำนวนจุดบัดกรีเย็นบนกราวด์หลักได้ นอกจากนี้ พลังงาน RF ที่รั่วไหลไปยังบริเวณอื่นภายในโครงสร้างลามิเนตจะลดลงด้วย
ส่วนประกอบ RF และหลักการติดตามสัญญาณ RFภายในพื้นที่ทางกายภาพ วงจรเชิงเส้นอย่างเช่นแอมพลิฟายเออร์หลายสเตจสามารถแยกทุกย่านความถี่วิทยุ (RF) ออกจากกันได้ แต่ดูเพล็กเซอร์ มิกเซอร์ และแอมพลิฟายเออร์/มิกเซอร์ความถี่กลางมักทำให้เกิดการรบกวนซึ่งกันและกันระหว่างสัญญาณ RF/IF หลายตัว ดังนั้นจึงควรลดอิทธิพลประเภทนี้ให้เหลือน้อยที่สุดอย่างระมัดระวัง ลายวงจร RF/IF ควรไขว้กันและเว้นกราวด์คั่นระหว่างกัน เส้นทาง RF ที่ถูกต้องมีความสำคัญอย่างมากต่อประสิทธิภาพของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการจัดวางอุปกรณ์จึงใช้เวลาส่วนใหญ่ในการออกแบบ PCB โทรศัพท์มือถือ
b. หลักการแบ่งส่วนทางไฟฟ้า
หลักการส่งกำลังกระแสตรง (DC) ในวงจรส่วนใหญ่ของโทรศัพท์มือถือมักมีค่าค่อนข้างต่ำ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงความกว้างของลายวงจรอย่างเคร่งครัด อย่างไรก็ตาม ลายวงจรที่มีกระแสสูงควรออกแบบแยกต่างหากสำหรับการจ่ายไฟให้กับแอมพลิฟายเออร์กำลังสูง โดยให้มีความกว้างมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าที่สูญเสียระหว่างการส่งให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียกระแสมากเกินไป ควรใช้รูผ่านหลายจุด (via) ในการส่งกระแสจากเลเยอร์หนึ่งไปยังอีกเลเยอร์หนึ่ง
การแยกกำลังของอุปกรณ์กำลังสูงหากไม่สามารถทำการคัปปลิงให้สมบูรณ์ที่ขาพาวเวอร์ของแอมพลิฟายเออร์กำลังสูงได้ สัญญาณรบกวนกำลังสูงจะถูกแผ่กระจายไปทั่วทั้งบอร์ดและก่อให้เกิดปัญหามากมาย การต่อลงกราวด์ของแอมพลิฟายเออร์กำลังสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง และโดยทั่วไปจำเป็นต้องมีฝาครอบโลหะสำหรับการออกแบบของมัน
หลักการแยกส่วนสัญญาณ RF ขาเข้า/ขาออกสำหรับสถานการณ์ส่วนใหญ่ สิ่งที่สำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่ากันคือการรับประกันให้เอาต์พุต RF อยู่ห่างจากอินพุต RF ซึ่งใช้ได้กับแอมพลิฟายเออร์ บัมเปอร์ และฟิลเตอร์เช่นกัน ในสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด หากสัญญาณอินพุตของแอมพลิฟายเออร์และบัมเปอร์ถูกป้อนกลับไปยังขั้วอินพุตของมันเองด้วยเฟสและแอมพลิจูดที่เหมาะสม อาจทำให้เกิดการสั่นด้วยตัวเองได้ ในสถานการณ์ที่ดีที่สุด อุปกรณ์เหล่านี้จะสามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าใด ๆ อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงแล้ว มันอาจไม่เสถียรและเพิ่มสัญญาณรบกวนและสัญญาณอินเตอร์มอดูเลชันให้กับสัญญาณ RF ได้
โดยสรุปแล้ว วงจร RF มีลักษณะเด่นคือผลสกินเอฟเฟกต์และผลคัปปลิง เนื่องมาจากการเป็นวงจรพารามิเตอร์กระจาย ซึ่งทำให้แตกต่างจากวงจรความถี่ต่ำและวงจร DC ดังนั้น ประเด็นต่าง ๆ ที่กล่าวถึงข้างต้นจึงควรได้รับการเน้นเป็นพิเศษในระหว่างการออกแบบ PCB วงจร RF เพื่อให้การออกแบบวงจรมีประสิทธิภาพและมีความแม่นยำ
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•แนวทางการออกแบบแผงวงจรพิมพ์สำหรับความถี่วิทยุและไมโครเวฟ
•การออกแบบแผงวงจรพิมพ์สำหรับวงจรความถี่วิทยุและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า
•PCBCart ให้บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ความถี่วิทยุ (RF PCB)
