FS Technology's detaillierte Einführung in das Design von Hochfrequenz-PCBAs

Die Nachfrage nach schneller und präziser Datenübertragung macht Hochfrequenz-Datenkabel zum Mainstream der Zeit, wie USB4, HDMI, Thunderbolt und DisplayPort. Die Signalübertragung erfolgt über die alte Version von HDMI 2.1TMDS, die bis zu 18 Gbps erreichen kann und hochauflösende Bilder mit 3840x2160p und 4K-Auflösung übertragen kann. Mit der Innovation der Hochfrequenz-PCBA-Technologie kann die Bandbreite mit dem neuesten FRL-Modus auf 48 Gbps erhöht werden. Wenn wir die Komprimierungstechnologie auf dieser Basis einsetzen, wird es einfach, Bilder mit einer Auflösung von 10K zu übertragen; und mit der neuen USB4-Version können Sie eine Geschwindigkeit von bis zu 40 Gbps erreichen. Unabhängig von der Art der Hochfrequenzverkabelung gibt es thermisches Rauschen auf der Leiterplatte oder andere Arten von Leiterplattenrauschen. Die Frage, wie man das PCBA-Rauschen in den Griff bekommt, steht im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit von Herstellern und Designern. Hier stellt sich die Frage, welcher Frequenzwert als Hochfrequenz gilt? 400MHz, 10GHz, 5 GHz oder 1Ghz.

Drei Hochfrequenz-Datenleitungen

Das Konzept der Hochfrequenzleitung

Reduzieren Sie die Wellenlängen der Hochfrequenzreflexion

Die Definition von Hochfrequenz kann nicht nur anhand der Frequenz beurteilt werden, sondern auch danach, ob Reflexionen auftreten. Wenn elektromagnetische Wellen auf ein Medium (Luft oder Leiterplatte) übertragen werden, treten die folgenden drei Situationen auf:

  • Kontinuierliches Medium: Es tritt kein Reflexionsphänomen auf;
  • Diskontinuierliches Medium: Wenn eine Reflexion auftritt, wird die Frequenz auf diesem Medium als niedrige Frequenz betrachtet;
  • Diskontinuierliches Medium: Wenn eine Reflexion auftritt, wird die Frequenz auf diesem Medium als hochfrequent angesehen.
 

Daraus können wir schließen, dass die Reflexion von der Wellenlänge abhängt.

Die Übertragungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in der Luft oder im Vakuum ist gleich der Lichtgeschwindigkeit:

Formel zur Berechnung der Stromstärke von Hochfrequenzschaltungen

Während im Fall von elektromagnetischen Wellen mittlerer Geschwindigkeit ist:

Die Übertragungsrate von elektromagnetischen Wellen in der Leiterplatte

Mit Hilfe dieses Ausdrucks können wir die Übertragungsrate der elektromagnetischen Strahlung bei einem Medium wie einer Hochfrequenz-PCBA-Platte ermitteln:

Wellenratenformel für elektromagnetische Wellen in PCB

Wenn wir die Wellengeschwindigkeit mit der Gleichung für elektromagnetische Wellen beim Durchgang durch ein Medium in Beziehung setzen. Als Ergebnis erhalten wir einen neuen Ausdruck: 

Wellenlängenformel für elektromagnetische Wellen in PCB

Aus der obigen Gleichung können wir schließen, dass es keine Reflexion gibt, wenn die Wellenlänge größer ist als die Länge des Übertragungsweges.

Um also die Reflexion zu minimieren, können wir die Wellenlänge des elektromagnetischen Signals so groß wie möglich machen. Normalerweise wird das 4-fache der Leiterbahnlänge verwendet. Eine Schlussfolgerung, die wir aus der obigen Formel ziehen, ist, dass durch die Senkung der Frequenz und die Verringerung der relativen Permittivität der Leiterplatte auch die Wellenlänge verlängert werden kann. Aber in der Realität ist es aufgrund der Übertragungsanforderungen nicht möglich, die Datenübertragungsrate beliebig zu verringern, und das Medium der Leiterplatte kann nicht 1 sein.

Es gibt noch eine weitere Option, bei der die Länge von Trace verkürzt wird, so dass sie kürzer als die übertragene Wellenlänge ist. FS Technology ist jedoch der Ansicht, dass dieser Ansatz seine Grenzen hat. Wenn die Übertragungsrate eine bestimmte Höhe erreicht oder die Position zwischen den Hochfrequenz-PCBA-Komponenten begrenzt ist, muss die Leiterbahnlänge der Hochfrequenz-PCBA um mindestens 5 bis 10 cm erhöht werden.

Hochfrequenzkurven und Impedanz

Wenn wir die Hochfrequenz-Leiterbahnen auf der Leiterplatte untersuchen, stellt sich die Frage nach dem Impedanzdesign der Leiterbahn, aber in den obigen Daten wird dazu nichts gesagt. Oben haben wir erörtert, dass es im Falle keiner Reflexion keine Impedanzprobleme für die Leiterbahn gibt, so dass ein Impedanzdesign nicht erforderlich ist.

Wie im vorigen Absatz erwähnt, ist eine blinde Verkürzung der Leiterbahnlänge sehr schwach, wenn der Bedarf an Hochfrequenzübertragung steigt. Für Projekte, die ultrahohe Übertragungsraten erfordern, kann diese Methode überhaupt nicht verwendet werden. Eine verlängerte Leiterbahn wird also unweigerlich Reflexionen aufweisen. Die Theorie der elektromagnetischen Wellen besagt, dass es eine andere Technik gibt, bei der es keine Reflexion gibt: Leiterbahnimpedanz = Lastimpedanz = Innenimpedanz.

Diese Theorie steht im Zusammenhang mit der eingangs erwähnten Diskussion, dass es bei einem kontinuierlichen Medium keine Reflexion gibt. Vereinfacht ausgedrückt, sind Leiterbahn, Last und Innenimpedanz gleich groß.

Hochfrequenz PCBA Signalreflexion und Fehleinschätzung

Ob es sich um einen PCBA-Hersteller oder einen Kunden handelt, der PCBA-Dienstleistungen erwirbt, wir möchten nicht, dass Reflexionen auftreten. Als Reflexion bezeichnet man den Energieanteil, der nicht genutzt oder übertragen wird und wie ein Sender zu seinem Ursprung zurückkehrt. Der wichtigste Punkt, den wir hier zum Ausdruck bringen wollen, ist, dass die Leiterbahn keine Impedanzprobleme hat, wenn es keine Reflexion gibt, egal wie hoch die Frequenz zu diesem Zeitpunkt ist, d.h. wir müssen kein Impedanzdesign durchführen.

Aber in Wirklichkeit wird diese reflektierte Energie aufgrund des Phänomens der Überlagerung von Wellen wieder von der Quelle zurückgeworfen. Wenn die Wellen zweimal zum Empfangspunkt zurückreflektiert werden, überlagert sich das Signal mit einem anderen Signal, das das Fehlersignal bildet. Nehmen wir an, ein digitales Signal, das am Startpunkt 1 ist, wird am Empfangspunkt zu Null und das Signal, das Null war, wird zu Eins, was zu einer Fehleinschätzung oder Fehleinschätzung des Signals führt.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Herstellung von Hochfrequenz-PCBAs

Bis jetzt haben wir eine Vorstellung von den Problemen, die durch die Reflexion verursacht werden, bekommen und müssen nun die richtige Leiterplatte für die Herstellung von Hochfrequenz-Leiterplatten auswählen. Normalerweise werden zwei Arten von Leiterplatten verwendet: Rogers und FR4.

Die relative Permittivität ist der entscheidende Punkt, der die Qualität des Signals beeinflusst:

Relative Dielektrizitätskonstante von PCB

Es gibt eine Beziehung zwischen der Frequenz und der relativen Permittivität, und die Variation der Frequenz verändert auch die relative Frequenz. Die folgende Formel erklärt diesen Faktor:

Die Beziehung zwischen der Frequenzänderung der Leiterplatte und dem dielektrischen Koeffizienten

Und

Hochfrequenz-Leiterplatten Frequenzvariation vs. Dielektrischer Koeffizient

Hier sehen wir, dass sich die relative Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Übertragungsrate der elektromagnetischen Welle auf der Platte ändert und auch die Wellenlänge ändert sich. Es handelt sich um ein Dispersionsphänomen, das in der Theorie der elektromagnetischen Wellen beschrieben wird, und dieses Medium wird als Dispersion bezeichnet.

Detaillierter Überblick über Hochfrequenz-PCBA-Dispersionsprobleme

Das digitale Signal wird in Form von Rechteckwellen übertragen, die entweder 0 oder 1 sind. Wenn wir die sich ändernde Frequenz einer Rechteckwelle beobachten, spiegelt sie sich in der Bildung zahlloser Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen wider. In einfachen Worten: Es besteht aus Grundwellen und 2 ungeraden Oberwellen, die sich überlagern.

Das Gesetz der hochfrequenten Leiterplatten-Rechteckwelle

Wenn drei Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen aufgrund unterschiedlicher relativer Dielektrizitätskonstanten durch Leiterbahnen geleitet werden, ergibt sich ein Unterschied in der Übertragungsgeschwindigkeit. Im Idealfall haben die 3 Frequenzen die gleiche Geschwindigkeit, wir setzen den Geschwindigkeitswert auf X und erhalten als Ergebnis ein komplettes Rechtecksignal auf der Empfangsseite des Signals. Aber in der Realität kann das nicht passieren, denn die drei Frequenzen haben ihre eigenen Geschwindigkeiten, entweder schnell oder langsam. Wenn wir die Leiterbahnlänge blindlings erhöhen, werden wir elektromagnetische Wellen empfangen, die in drei verschiedene Frequenzen zu unterschiedlichen Zeiten zerlegt werden.

Geschwindigkeitsänderung verschiedener Frequenzen auf Hochfrequenz-Leiterplatten

Ein ähnlich hohes Signal erreicht in unterschiedlichen Zeitintervallen und die Amplitude verringert sich ebenfalls, was zu Fehlern bei der Beurteilung am Empfangspunkt und zu Bitfehlern führt.

Oder wenn in unseren Geräten mehrere Signale mit unterschiedlichen Raten vorhanden sind, da das Hochgeschwindigkeitssignal das Niedriggeschwindigkeitssignal überlagert, führt dies dazu, dass die Hochfrequenz-PCBA am Empfangsende ein ungeordnetes Signal empfängt, was es uns unmöglich macht, seine Genauigkeit zu beurteilen.

Wie wir bereits besprochen haben, kann sich die Leiterbahn trotz der von uns entworfenen Impedanz (einseitig 50 Ω oder differenziell 100 Ω) über einen längeren Zeitraum bewegen, ohne eine Reflexion zu verursachen, aber wenn sie auf das dispersive Medium trifft, wird auch die Länge der Leiterbahn eingeschränkt. Beim Impedanzdesign können wir uns also dafür entscheiden, die Leiterbahn so kurz wie möglich zu machen.

Hochfrequenz-Materialvergleich: FR4 vs. Rogers

Mit Hilfe des Verständnisses der relativen Dielektrizitätskonstante und der Dispersionsphänomene können Sie nun einen Vergleich zwischen FR4 und Rogers-Materialien anstellen. Die folgende Abbildung zeigt die relative Dielektrizitätskonstante von FR4 und Rogers in Abhängigkeit von der Frequenz.

Relative Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Frequenz für FR4 und Rogers

Aus der obigen Abbildung können wir ersehen, dass sich ∈ r (f) von FR4 je nach Frequenz stark ändert, während es für Rogers keine Gebühr gibt. Nehmen wir an, dass wir den Frequenzbereich der Übertragungsrate als PRBS31 verwenden, so muss bei der Verwendung von FR4 ernsthaft auf Dispersionsprobleme geachtet werden. Um Dispersionsprobleme zu vermeiden, müssen die Leiterbahnen so klein wie möglich sein.

Sie denken vielleicht, die Lösung sei, kein FR4 zu verwenden, sondern Rogers PCB und die Probleme sind gelöst. Das ist richtig, aber die Preise von Rogers sind hoch, auch das müssen Sie berücksichtigen. Die Senkung der Preise und wie man die Qualität des Signals beibehält, um die Kommunikationsanforderungen zu erfüllen. Es fallen einem immer Ingenieure ein, die Layouts für die Herstellung von Gleichgewicht machen.

Zuletzt haben wir die Auswirkung von ∈ r (f) auf die Leiterbahnimpedanz noch nicht diskutiert. Grundsätzlich wird sie sich auswirken, aber um eine zu komplizierte Analyse und Erklärung zu vermeiden, wird das Thema Impedanzdesign idealisiert.

Analyse der großen Wellenleiterstruktur von drei Hochfrequenz-PCBAs

In der obigen Diskussion haben wir die Beziehung zwischen Hochfrequenz und Leiterplatte erklärt, wie die Auswahl des richtigen Materials und den Preisvergleich. Jetzt werden wir das Layout des Hochfrequenz-Leiterplattenentwurfs besprechen.

Wenn wir darüber nachdenken, wie wir das Layout einer Leiterplatte entwerfen? Die erste Frage, die uns in den Sinn kommt, ist die nach der Simulation. Die Verwendung von Simulationssoftware ist einfach und spart zusätzliche Zeit und ist teuer, aber wie können wir die Simulationsparameter formulieren? Zunächst müssen Sie eine Vorstellung davon haben, wie Sie mit dem Layout-Design beginnen wollen. 

Vor Hochfrequenz-Leiterplatte Das erste Problem bei der Herstellung von Leiterplatten ist die Wahl einer geeigneten Wellenleiterstruktur. Die drei grundlegendsten Übertragungsstrukturen werden im Folgenden beschrieben:

  • Microstrip
  • Stripline
  • Koplanarer Wellenleiter

PCB-Vergleichsdiagramm für große Wellenleiterstrukturen

Microstrip

Die Architektur und das Design sind einfach. Für ähnliche Hochfrequenz PCBA Substraten gibt es viele Parameter, die aufgrund der einfachen Struktur nicht variiert werden können, wie z.B. die Linienbreite, die Substratdicke und die Liniendicke.

Mit der Erhöhung der Frequenz gibt es ein weiteres Problem für Microstrip, nämlich dass der Luftwert oberhalb der Leiterbahn ∈ eff = 1 ist und das Substrat darunter ∈ eff ≠ 1, das asymmetrische Muster wird für ein oberes und unteres Feld sein, was zu einem asymmetrischen elektromagnetischen Wellenfeldmuster führt. Dieses asymmetrische Verhalten beeinträchtigt die Qualität der Signalübertragung.

Stripline

Die Struktur ist kompliziert und das ∈ eff des oberen und unteren Substrats kann nahe am Substrat liegen, daher ist das Muster der elektromagnetischen Welle vollständig. Außerdem zeigen die Hochfrequenz-Streifenleitungen keine weitreichenden Übersprechungseffekte untereinander.

Es gibt Probleme mit der Signalabschwächung und Reflexion, die durch redundante Via-Segmente entstehen, da die inneren Schichten mit den äußeren Teilen durch Vias verbunden sind. Um dieses Problem zu minimieren, verwenden Sie Back-Drilling oder Blind Vias, aber das erhöht die Kosten. 

Verbesserte Hochfrequenz-Leiterplatte

Koplanarer Wellenleiter

Bei der Erstellung eines Wellenleiters werden beide Seiten der Leiterbahn wie beim Microstrip durch einen Kupferschutz abgedeckt. Der koplanare Microstrip-Wellenleiter hat dann die Möglichkeit, weitere physikalische Parameter zu ändern, z.B. den Abstand zwischen Leiterbahn und Erde und den Abstand zwischen Via und Leiterbahn auf der Erde.

Ein koplanarer Wellenleiter wird durch GND flankiert, wodurch die Auswirkungen des Übersprechens minimiert werden. Es gibt einen Engpass im Design. Wenn in Schaltungen wie PCIe hochfrequente und hochdichte Leiterbahnen verwendet werden, hat die Struktur nicht genug Platz, um Kupfermasse auf beiden Seiten der Leiterbahnen anzubringen. 

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