Requisitos Clave de Fabricación para PCBs de Comunicación Inalámbrica de Alta Frecuencia

Se enfrenta a una creciente presión para satisfacer las nuevas necesidades de las comunicaciones inalámbricas. Las PCB de alta frecuencia están creciendo más rápido que las PCB normales debido al auge de las redes 5G y las nuevas aplicaciones de IoT. Estos diseños de alta frecuencia utilizan laminados de PTFE y Rogers en lugar de las placas FR4 estándar. Estos materiales reducen la pérdida de señal hasta en un 40% y mejoran la transmisión de datos. LT CIRCUIT es un socio de confianza que ofrece soluciones de fabricación avanzadas que ayudan a mantener señales fuertes y fiables. También se aseguran de que cumpla con las normativas en este campo de las comunicaciones inalámbricas en rápida evolución.

Puntos clave

# Elija materiales especiales como PTFE o laminados Rogers. Estos ayudan a reducir la pérdida de señal y a que la tecnología inalámbrica funcione mejor.

# Controle la impedancia haciendo coincidir el ancho y el espaciado de las trazas. Esto mantiene las señales fuertes y ayuda a evitar errores.

# Utilice métodos de fabricación exactos como el grabado avanzado y la perforación cuidadosa. Esto ayuda a fabricar PCB de alta frecuencia que funcionen bien.

# Siga un estricto control de calidad y pruebas, como los estándares EMC y FCC. Esto asegura que su dispositivo funcione correctamente y cumpla con las normas.

# Gestione el calor y la pérdida de señal con buenos diseños térmicos y materiales de baja pérdida. Esto mantiene su PCB estable y ayuda a que dure más tiempo.

Materiales

Sustratos

Elegir el sustrato adecuado ayuda a que su PCB funcione bien en las comunicaciones inalámbricas. Cada material tiene sus propios beneficios para los diseños de alta frecuencia. La siguiente tabla enumera los materiales de sustrato comunes y lo que los hace especiales:

Nota: En 2024, la región de Asia Pacífico es el principal mercado de sustratos de PCB de alta frecuencia, con más del 48% del mercado.

Propiedades dieléctricas

Las propiedades dieléctricas son muy importantes para enviar señales, especialmente por encima de 10 GHz. Desea materiales con bajas constantes dieléctricas (Dk) y bajos factores de disipación (Df). Estos ayudan a mantener las señales fuertes y a reducir la pérdida. Los materiales Rogers tienen valores de Dk de 3,38 a 3,55 y Df tan bajo como 0,002. Los materiales Isola tienen un Dk y Df un poco más altos, por lo que hay un poco más de pérdida de señal, pero son más fáciles de fabricar. Los sustratos a base de teflón tienen el Dk y Df más bajos, por lo que son los mejores para usos de muy alta frecuencia.

Los expertos dicen que debe utilizar materiales con un Df inferior a 0,005 a 10 GHz. Esto mantiene baja la pérdida de señal y el calor, lo cual es muy importante para las comunicaciones inalámbricas.

Gestión térmica

Las PCB de alta frecuencia se calientan más que las normales. Debe controlar este calor para que su placa funcione bien. Las PCB con núcleo de metal, como las que tienen aluminio o cobre, alejan el calor rápidamente. Tienen conductividades térmicas de 5 a 400 W/mK. Esto es mucho mejor que FR4, que solo llega hasta 0,4 W/mK. El uso de PCB con núcleo de metal ayuda a enfriar su placa rápidamente. Esto es importante para cosas como enrutadores inalámbricos, estaciones base y satélites.

Normas IPC-2221 le ayudan a elegir materiales con baja constante dieléctrica, alta conductividad térmica, baja absorción de humedad y fuerte resistencia mecánica. Si sigue estas normas, su PCB funcionará bien para las comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia.

Diseño

Control de impedancia

Tener la impedancia correcta es muy importante para las comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia. Debe asegurarse de que las trazas de la PCB coincidan con la impedancia estándar del sistema, que suele ser 50 ohmios. Esto ayuda a detener reflexiones de señal y pérdida de potencia. Si la impedancia no coincide, las señales pueden rebotar. Esto causa resonancia y errores de datos. Estos problemas empeoran cuando la frecuencia aumenta. Puede detener estos problemas utilizando trazas de impedancia controlada. Asegúrese de que la fuente, el receptor y las trazas tengan la misma impedancia.

Las normas de la industria dicen que debe mantener la tolerancia de impedancia entre ±1% y ±2% para trazas de PCB inalámbricas de alta frecuencia. Este control cercano mantiene las señales fuertes y los sistemas funcionando bien.

Si la impedancia no coincide en las trazas de PCB de alta frecuencia, las señales rebotan y se debilitan. Esto perjudica la calidad de la señal. Las piezas y las trazas están hechas para una cierta impedancia para evitar que esto suceda. Cuando la frecuencia aumenta, la pérdida de inserción empeora mucho si la impedancia no coincide. La coincidencia de impedancia mantiene bajas las reflexiones y la pérdida de potencia. Esto ayuda a mantener las señales claras en las comunicaciones inalámbricas.

Integridad de la señal

La integridad de la señal significa mantener las señales fuertes y claras a medida que se mueven a través de la PCB. Las señales de alta frecuencia pueden tener problemas como diafonía, retardo de transmisión y errores de sincronización del reloj. La diafonía ocurre cuando las señales en trazas cercanas se interfieren entre sí. Puede reducir la diafonía separando más las trazas. El uso de señalización diferencial y trazas de protección también ayuda.

Consejo: Haga espaciamiento de trazas al menos tres veces el ancho de la traza para reducir la diafonía y la interferencia.

El retardo de transmisión puede causar errores de sincronización y ruido. Si las trazas no tienen la misma longitud, las señales llegan en diferentes momentos. Esto estropea la sincronización del reloj. Puede solucionar esto haciendo coincidir las longitudes de las trazas con patrones serpentinos. Intente utilizar la menor cantidad posible de vías. Coloque vías de transición cerca de las vías de señal cuando las señales cambian de planos de referencia. Utilice herramientas de simulación para encontrar y solucionar problemas de integridad de la señal antes de fabricar la placa.

EMI/EMC

La interferencia electromagnética (EMI) y la compatibilidad electromagnética (EMC) son grandes problemas en las comunicaciones inalámbricas. La EMI puede generar ruido y causar pérdida de señal. EMC asegura que su PCB no interfiera con otros dispositivos. Puede reducir la EMI y mantener la EMC siguiendo estos consejos de diseño:

1. Coloque piezas similares (analógicas y digitales) en grupos separados para reducir la diafonía.

2. Coloque los condensadores de desacoplamiento cerca de los pines de alimentación para bloquear el ruido de alta frecuencia.

3. Mantenga las trazas de señal cortas y rectas para que no actúen como antenas.

4. Mantenga la impedancia controlada para las señales importantes.

5. No utilice esquinas afiladas; utilice ángulos de 45 grados o curvas.

6. Utilice pares diferenciales para señales rápidas.

7. Coloque planos de tierra sólidos debajo de las capas de señal.

8. No divida los planos de tierra para detener los bucles de EMI.

9. Coloque las vías de tierra cerca de los pines de las piezas.

10. Cubra las áreas sensibles con protectores metálicos o vertidos de cobre conectados a tierra.

11. Haga que las áreas de bucle en las rutas de alimentación y señal sean lo más pequeñas posible.

Nota: Mantenga las secciones de RF y digitales separadas en la PCB para ayudar al aislamiento y reducir la EMI. Utilice apilamientos multicapa para proporcionar rutas de retorno de baja impedancia y reducir las emisiones electromagnéticas.

Integración de antenas

La integración de antenas es una parte muy importante del diseño de PCB inalámbricas de alta frecuencia. La forma, el tamaño y el diseño de la antena cambian la eficacia con la que su dispositivo envía y recibe señales. Debe pensar en estas cosas:

l Geometría de la antena: La forma y el tamaño de la antena establecen cómo envía y recibe señales.

l Plano de tierra: Un plano de tierra sólido y bien conectado reduce las pérdidas por radiación y proporciona una referencia estable.

l Adaptación de impedancia: Haga coincidir la impedancia de la antena con el circuito para detener las reflexiones de señal y la pérdida. Utilice redes de adaptación o ajuste de espárragos.

l Banda de frecuencia: La frecuencia de trabajo establece el tamaño de la antena. Utilice ecuaciones de diseño y herramientas de simulación para que funcione mejor.

l Tipos de antena: Las antenas PCB comunes son antenas monopolo, parche, dipolo y bucle. Cada uno es diferente.

l Pruebas de rendimiento: Compruebe el rendimiento de la antena con mediciones de parámetros S, pruebas de patrones de radiación y pruebas de adaptación de impedancia.