در اصطلاحات فنی، زمانی از PCBهای RF صحبت می‌کنیم که فرکانس عملیاتی سیگنال‌ها بالاتر از ۱۰۰ MHz است. این دسته شامل PCBهای مایکروویویی است، که در آن فرکانس سیگنال‌های RF بالاتر از ۲ GHz است. PCBهای RF در چندین کاربرد مانند سیستم‌های ارسال بی‌سیم، smartphones، رادار، سنسورها، و سیستم‌های امنیتی استفاده می‌شوند. در مقایسه با PCBهای سنتی، PCBهای RF پیچیدگی بیشتری در طراحی دارند، که اساساً به حفظ سلامت سیگنال، مقاومت در برابر نویز، ایجاد تداخل الکترومغناطیسی، و تطبیق impedance مربوط می‌شود.
چالش‌هایی که با آن مواجه هستیم
سیگنال‌های RF به طور خاص در برابر نویز حساس هستند و بنابراین، احتمال ریپل یا انعکاس سیگنال معمول است. impedance نیز به طور خاص در این کلاس مدارها حیاتی است، جایی که لازم است مقدار impedance را در تمامی مسیرهای مدار کنترل کنیم. همچنین لازم است کاهش‌های توان سیگنال ناشی از انعکاس‌های سیگنال را کاهش دهیم. همچنین با افزایش عملکرد و تراکم قطعات، تداخل (crosstalk)، یعنی انتقال انرژی بین مسیرهای مجاور ناشی از تشعشع را کاهش دهیم.
۱ – انتخاب ماده
هنگام طراحی مدارهای RF، ویژگی‌های مواد مانند فاکتور واپاشی(dissipation) و ثابت دی الکتریک باید در نظر گرفته شود. یک ماده معمول مانند FR-4 بسیار ارزان است اما عموماً برای کاربردهای RF با فرکانس بالا مناسب نیست، به ویژه در مورد ناهمگنی ثابت دی الکتریک و تلفات دی الکتریک. برای PCBهای RF، مواد خاصی مانند FEP، PTFE، کارامیک، هیدروکربن‌ها، و انواع مختلف فیبر شیشه‌ای استفاده می‌شوند. مواد PFE و PTFE، که به خانواده فلوروبولیمر تعلق دارند، مقاومت شیمیایی ماده اصلی را بهبود می‌دهند، خواص ضدچسبندگی و صافی را دارند، همچنین مقاومت حرارتی فوق‌العاده (می‌توانند دماهای حتی بالاتر از ۲۰۰°C را تحمل کنند) را دارند. اگر بودجه مشکلی نباشد و کیفیت از قیمت مهم‌تر باشد، بهترین راه حل PTFE با فیبر شیشه‌ای است. بسیاری از تولید کنندگان برد مداری از مواد Rogers استفاده می‌کنند که توسط Rogers Advanced Connectivity Solutions (ACS) تولید می‌شوند. مواد Rogers، اگرچه گران‌تر هستند، اتلاف توان را تا ۵۰٪ کاهش می‌دهند، تضمین کننده عملکرد بالا حتی بالای ۲۰GHz و مقدار ثابت و قابل تکرار ثابت دی الکتریک که با تغییر فرکانس پایدار می‌ماند. از آنجا که PCBهای RF معمولاً چند لایه‌ای هستند، رویکرد معمول استفاده از مواد مختلفی است که نیازهای عملکرد الکتریکی، خواص حرارتی و هزینه‌ها را برآورده می‌کنند. به عنوان مثال، لامینات‌های با عملکرد بالای Rogers می‌توانند در لایه‌های خارجی استفاده شوند، در حالی که در لایه‌های داخلی، لامینات‌های ارزان‌تر از اپوکسی شیشه استفاده می‌شوند.
۲ – خطوط انتقال
PCBهای RF نیاز به خطوط انتقال (میکرواستریپ، استریپلاین، موجبر همسطح یا دیگر) دارند که در آن مقدار impedance باید دقیقاً کنترل شود تا از اتلاف توان جلوگیری شود و سلامت سیگنال تضمین شود. در خطوط انتقال میکرواستریپ عرض مسیر، ضخامت لایه و نوع دی الکتریک مقدار impedance را تعیین می‌کنند، مقادیر معمول که ۵۰Ω و ۷۵Ω هستند. میکرواستریپ‌ها در لایه‌های خارجی استفاده می‌شوند، در حالی که استریپلاین‌ها در لایه‌های داخلی استفاده می‌شوند. موجبر همسطح (زمینی)، از طرف دیگر، بهترین درجه جدایی را فراهم می‌کند، به ویژه در مورد سیگنال‌های RF که مسیرهای بسیار نزدیک را می‌گذراند.
۳ – impedance و inductance
یک رویکرد عمومی استفاده شده توسط طراحان انتخاب یک مقدار impedance مشترک (معمولاً، ۵۰Ω) است، به این ترتیب فقط قطعات RF (فیلتر‌ها، آنتن‌ها، تقویت‌کننده‌ها) که این impedance ۵۰Ω را دارند، انتخاب می‌شوند. مقدار ۵۰Ω این مزیت را دارد که بسیار پراکنده است و تطابق impedance را ساده می‌کند، به این ترتیب امکان دارد به هر مسیر PCB عرض درست را اختصاص دهید.
inductance، از طرف دیگر، می‌تواند تأثیر بزرگی بر طراحی یک PCB RF داشته باشد و بنابراین باید به حداقل رسانده شود. این کار با فراهم کردن اتصال زمین مناسب برای هر قطعه RF، استفاده از سوراخ‌های متعدد و زمین‌های کافی پهناور و بدون فاصله یا ناپیوستگی انجام می‌شود. زمین‌های کافی باید در نزدیکی قطعات و مسیرهای RF قرار داشته باشند.
۴ – مسیریابی
یکی از اولین قوانین به انحنا و زوایای موجود در یک مسیر مربوط می‌شود. اگر یک خط انتقال نیاز به تغییر جهت برای نیازهای مسیریابی دارد، ترجیح داده می‌شود یک قوس با شعاع منحنی حداقل سه برابر عرض مسیر ایجاد شود. این اطمینان می‌دهد که impedance خاص طول کل قسمت منحنی پایدار بماند. اگر این امکان وجود نداشته باشد، یک زوایه کشیده شود، با این حال باید از زوایه‌های قائم اجتناب شده و با جفتی از زوایه‌های ۴۵° جایگزین شوند.
اگر یک خط انتقال باید بیشتر از دو لایه را قطع کند، توصیه می‌شود حداقل دو سوراخ برای هر قطع ایجاد شود تا تغییر inductance را به حداقل کاهش دهد. یک جفت سوراخ با استفاده از بزرگترین قطر متناسب با عرض مسیر برای سوراخ‌ها در واقع قادر است تغییر inductance را تا ۵۰٪ کاهش دهد. مسیرهایی که قطعات RF را به هم متصل می‌کنند باید در حداقل فاصله ممکن نگه داشته شوند و به صورت متقاطع در لایه‌های مجاور قرار گیرند، به ویژه اگر این مسیرها توسط سیگنال‌های حساس قطع شوند.
به عنوان مثال، بهترین راه حل برای stackup پیکربندی چند لایه‌ای است. اگرچه هزینه بالاتر از یک راه حل دو لایه است، نتایج بسیار بهتر و قابل تکرار هستند. زمین‌های مداوم باید زیر مسیرهایی که سیگنال‌های RF را حمل می‌کنند قرار داده شوند، زیرا فرکانس‌های بالا تحمل ناپیوستگی‌های زمین را ندارند.
۵ – عایق‌سازی
توجه ویژه‌ای باید به جلوگیری از کوپلینگهای خطرناک بين سیگنال‌ها شود. خطوط انتقال RF باید به حد امکان از سایر مسیرها (به ویژه اگر توسط سیگنال‌های با سرعت بالا مانند HDMI، Ethernet، USB، clock، سیگنال‌های اختلافی و غیره قطع شوند) جدا نگه داشته شوند و مسیرهای طولانی را موازی با هم نگذرانند. کوپلینکهای بين میکرواستریپ‌های موازی، در حقیقت، با کاهش فاصله که آنها را جدا می‌کند و افزایش فاصله طی شده در جهت موازی افزایش می‌یابد. مشابهاً، مسیرهایی که سیگنال‌های قدرت بالا را حمل می‌کنند باید نیز از سایر اجزای مدار جدا نگه داشته شوند. یک مقدار عایق‌سازی عالی می‌تواند با استفاده از موجبر همسطح زمینی به دست آید.
مسیرهایی که سیگنال‌های با سرعت بالا را حمل می‌کنند باید در لایه‌ای متفاوت از سیگنال‌های RF مسیریابی شوند، تا از پدیده‌های تداخل جلوگیری شود. خطوط تغذیه نیز باید در لایه‌های اختصاصی مسیریابی شوند، با ایجاد لایه های تغذیه و به کارگیری خازن هی bypass و decoupling مناسب.
۶ – زمین‌ها
روش عمومی این است که زمین‌های پیوسته (بدون هیچ قطعی) را در نزدیکی هر لایه‌ای که قطعات یا خطوط انتقال RF را دارد، قرار داده شود. در مورد استریپلاین‌ها، زمین‌های اختصاصی همچنین بالا و پایین از مسیرهای سیگنال RF قرار می گیرند. سوراخ‌های Via می‌توانند در مجاورت مسیرهای RF و در نزدیکی قطعات RF اضافه شوند، به این ترتیب اثرات inductance پارازیتی که توسط مسیرهای بازگشتی به زمین ایجاد می‌شوند کاهش می‌یابد. سوراخ‌های via همچنین کمک می‌کنند تا تداخل بين خطوط RF و سایر سیگنال‌هایی که از PCB عبور می‌کنند کاهش یابد.
۷ – خازن های bypass
خازن های bypass با مقادیر مناسب، هم در پیکربندی‌های واحد و ستاره، باید نزدیک به پین‌های تغذیه قرار داده شوند. در پیکربندی ستاره، به ویژه برای قطعاتی با چندین پین تغذیه، یک خازن با ظرفیت بیشتر (چند ده میکرو فاراد) در مرکز ستاره قرار داده می‌شود، در حالی که خازنهای دیگر با ظرفیت کمتر در نزدیکی هر شاخه قرار می‌گیرند. پیکربندی ستاره مسیرهای بازگشتی طولانی به زمین را جلوگیری می‌کند، به این ترتیب inductanceهای پارازیتی که می‌توانند منجر به تشکیل حلقه‌های بازخورد ناخواسته شوند، کاهش می‌یابد. همچنین توجه ویژه‌ای نیز باید به مقدار فرکانس رزونانس خودی (Self Resonance Frequency or SRF) خازن های bypass شود، با توجه به اینکه بالای این مقدار امپدانس خازن ها وارد ناحیه inductance خود می شوند.
۸ – زمین‌های قطعات
بسیاری از قطعات RF نیاز به یک زمین پیوسته در لایه قطعه (لایه بالا یا پایین PCB) که مستقیماً زیر قطعه قرار دارد، دارند. این زمین هدف دارد تا جریان‌های بازگشتی CC و RF را به سمت زمین مورد نظر هدایت کند. همچنین، “زمین‌های paddle” وظیفه ثانویه انتقال حرارت از قطعه به PCB را دارند و بنابراین باید با سوراخ‌های via مناسب تجهیز شوند. این سوراخ‌ها باید سوراخ‌های through hole باشند وتمام لایه های PCB را قطع کنند و داخل آنها توسط قلع به منظور انتقال موثرتر حرارت پر شوند.
