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微波和射频 PCB
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射频和微波 PCB

在无线技术不断发展的世界中,推动变革的主力是射频和微波 PCB。这些曾经极其昂贵的电路板如今已非常普遍,甚至廉价的商业产品现在也使用射频和微波 PCB 来实现诸如校准时间(时间可以通过 GNSS 或全球导航卫星系统校准)等小众用途。

几乎所有的长距离通信都是通过卫星、移动电话、电视、飞机和船舶无线实现的。在更短的时间内发送更多的无线数据需要更高频率的信号,而发送更长距离的信号需要更大的功率和相当低的频率。频率越高,电路板就越复杂,功能越精细,PCB 就越昂贵。微波和 RF PCB 被认为是设计和制造最困难的 PCB 之一。

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什么是射频和微波 PCB?

处理 RF 或射频信号的 PCB 称为 RF PCB。RF PCB 板的频率范围为 50 MHz 至 1 GHz。此频率范围用于长距离广播,如 FM(87 Mhz 至 109 Mhz)、天线电视(50 Mhz 至 890 Mhz)和雷达的 L 波段(RF 中唯一的波段,其余的都在微波频率范围内)。

处理微波信号的 PCB 称为微波 PCB。微波 PCB 具有非常先进的功能,但设计起来也很困难。微波 PCB 的频率从 1 Ghz 开始,最高可达 300 Ghz。大多数现代移动通信(如 5G)、GNSS(如 GPS 和 BDS)(1200Mhz 至 1500Mhz)以及移动通信标准(如 GSM)(900Mhz 至 1800Mhz)都使用微波 PCB。微波 PCB 比 RF PCB 先进得多,也更昂贵,因为微波 PCB 处理的频率范围比 RF PCB 更高。

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射频和微波 PCB 的优势

RF 和微波 PCB 被认为是业内最先进的电路板之一。即使超过 1Ghz 的信号也需要相当谨慎和努力进行设计。一些优点包括:

射频和微波 PCB 中的衰减 非常小,因此传输信号所需的功率降低,从而可以降低传输信号的功率。这大大提高了信号完整性以及 PCB 的电源管理。事实上,微波 PCB 板在功率方面具有最高的效率之一。

处理高速数据 是微波和射频 PCB 的 USP 之一。微波 PCB 的这种能力使其适用于高速通信,如 Wi-Fi 和 5G,工作频率为 2.4 GHz 至 6 GHz(低频段 5G)。只有最高等级的专用 PCB(如微波 PCB)才能保持 50 GHz 及以上的高速。

热管理 射频和微波 PCB 的散热性能得到良好维护。所用材料标准高,主体中铜含量较高,可更好地管理 PCB 上组件产生的热量。具有更好散热管理的 PCB 还可以消除热量产生的噪声,例如降低 PCB 信号完整性的 Jhonson Nyquist 噪声。

微波和射频 PCB 的缺点很少,例如成本高、需要非常先进的制造和复杂的设计。然而,使用微波 PCB 的优点远远超过其缺点。必须注意的是,大多数关键无线技术都使用微波和射频 PCB,因为它们没有它就无法运行。

射频和微波 PCB 的应用

射频和微波 PCB 部署在涉及高频信号、发送或接收无线信号和高信号完整性的任何地方。它们的一些应用包括:

雷达: 雷达或无线电探测和测距是导航和跟踪最关键的技术之一。军用和民用飞机及船舶都使用雷达来探测附近的物体。现代雷达能够探测高度、与源的距离和速度。军用航空使用最先进的基于雷达的微波和射频 PCB 来接收反射信号。即使是最小的反射信号痕迹也不会因衰减而丢失。

导航: GNSS 或全球导航卫星系统(如 GPS、BDS 和 GLONASS)使用 L 波段 RF,即 1 GHz 至 2 GHz 信号。它不需要非常先进的微波 PCB,但确实需要相当的复杂性,如阻抗控制、材料选择和精确的天线布线。

电信: 5G、Wi-Fi、蓝牙和 NFC 等电信标准使用微波和射频 PCB 来实现最大信号完整性。在日益增加的 EMI 环境中,速度达到 5 GHz 以上,需要屏蔽良好的微波 PCB。微波 PCB 产生的热量也较少,这使其成为使用电信的手持设备(如手机、对讲机等)的理想选择。

自动化设备: 自动化设备 使用微波 PCB 发送和接收同步数据。此类信号大多是无线的,灵敏度高,需要在充满噪声和热量的恶劣工业环境中运行。

医疗机器: 医学成像机器 MRI 或磁共振成像使用微波和射频 PCB。这些成像机器需要无噪声图像,然后将其输入到不同的信号处理算法中。

播送: 天线电视信号、FM 和 AM 等广播信号使用的 RF PCB 不像其他无线技术那么复杂。超长距离通信使用低频信号,因此处理起来并不困难。

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微波和射频 PCB 设计和制造的挑战

RF 和微波信号在传输和接收过程中容易受到许多噪声和衰减的影响,并且对噪声的敏感度会随着频率的增加而增加。因此,高频信号需要更多的预防措施和设计措施来保持信号完整,直到到达接收器。设计和制造 RF 微波 PCB 时面临的一些挑战包括:

保持阻抗控制: 所有高速信号都需要阻抗控制,以便在 PCB 中正确传输信号。由于阻抗控制不佳,PCB 中可能会出现信号反射、路径衰减等。从设计的角度来看,现代 CAD 和 EDA 工具有助于在设计时简化阻抗控制。λ/20(表示走线宽度必须小于信号波长的 1/20)等规则也给出了走线宽度限制的粗略估计。从制造的角度来看,阻抗控制的公差越严格,制造成本就越高,难度也就越大。

选择正确的材料: 对于微波和射频 PCB,材料选择是更关键的决定之一。对于大多数低射频 PCB,高质量 FR4 就足够了。但是,对于微波 PCB,可能需要具有低介电常数、低耗散因数和高热导率的特殊专用 PCB 材料,如 Rogers RO4000 系列、Isola IS620 和 Isola Astra 材料(不建议将 FR4 用于微波 PCB)。

热管理: 微波 PCB 对元件和走线产生的约翰逊奈奎斯特噪声很敏感。通过使用高导电性和低损耗角正切系数的材料以及在 PCB 中添加更多铜来加强 PCB 中的热管理。

维护 EMC: EMC(电磁兼容性)对于微波 PCB 至关重要。微波 PCB 需要保持 EMC。保持 EMC 主要通过 PCB 的适当屏蔽和接地、适当的布线技术以及 PCB 上的 EMI 滤波器来实现。未能保持 EMC 会导致信号丢失和 PCB 上的噪声信号。

采用更严格的公差并保持均匀的表面光洁度: 高频微波 PCB 板需要非常光滑的表面才能通过 PCB 传输信号。不平整的表面会影响处理高频的 PCB 的信号完整性。这同样适用于电路板尺寸和走线公差。如果需要更严格的公差和超光滑的表面,设计师有责任指定公差。

成本控制: 微波和射频 PCB 的成本通常高于相同尺寸和层的一般 PCB。微波电路板射频微波 PCB 的成本主要取决于 PCB 所用材料、PCB 尺寸、阻抗的堆叠公差、表面光洁度等几个方面。

选择合适的制造商: 尤其适用于高性能电路板(如微波电路板 RF 微波 PCB)的一个因素是制造商,高端 PCB 制造商很少。大多数高端微波和 RF PCB 制造商都位于中国。大多数此类制造商有更多更便宜的高频材料选择,这极大地影响了 PCB 的成本。

RF 和微波 PCB 需要设计师和 PCB 制造商的专业知识。任何一方的疏忽都可能导致设计失败,因此, 选择合适的 PCB 制造商 拥有成熟的专业知识。

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