Co je vysokofrekvenční deska plošných spojů a proč je důležitá

Vysokofrekvenční desku plošných spojů používáte, když vaše zařízení potřebuje pracovat se signály nad 1 GHz. V elektronice se všemu nad tímto rozsahem říká vysokofrekvenční. Zařízení jako chytré telefony a Wi-Fi routery potřebují tyto desky pro rychlou a jasnou komunikaci. Musíte vybrat správné materiály, aby signály zůstaly silné i při těchto rychlostech. Integrita signálu znamená, že vaše signály zůstanou čisté a nezeslábnou. Vysokofrekvenční a vysokorychlostní desky plošných spojů nejsou totéž. Vysoká frekvence se týká toho, jak často se signál objevuje. Vysoká rychlost se týká toho, jak rychle se data pohybují.

Klíčové poznatky

• Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB)  jsou důležité pro zařízení pracující nad 1 GHz. Pomáhají zařízením komunikovat jasně a rychle.
• Výběr správných materiálů, jako je PTFE, udržuje signály silné. Také zabraňuje plýtvání energií při vysokofrekvenčním použití.
• Znalost rozdílů mezi vysokofrekvenčními a vysokorychlostními deskami plošných spojů je velmi důležitá. Pomáhá lidem lépe navrhovat a zajišťuje dobrý chod zařízení.
• Vysokofrekvenční desky plošných spojů řeší problémy, jako je přeslech a odrazy signálu. Díky tomu jsou skvělé pro bezdrátová a lékařská zařízení.
• Použití flexibilních vysokofrekvenčních desek plošných spojů (PCB) nabízí více možností návrhu. Pomáhá také lépe fungovat zařízením v malých prostorech.

Základy vysokofrekvenčních desek plošných spojů

Co definuje vysokou frekvenci

Obvod se nazývá vysokofrekvenční, pokud pracuje nad 500 MHz. Inženýři používají vysokofrekvenční desky plošných spojů  pro desky od 500 MHz do několika gigahertzů. Většina bezdrátových zařízení, jako jsou mobilní telefony a Wi-Fi routery, používá tyto frekvence. Níže uvedená tabulka ukazuje, jak odborníci tyto rozsahy seskupují:

Průmyslová pravidla stanoví, že vysokofrekvenční deska plošných spojů musí zpracovávat analogové vysokofrekvenční nebo mikrovlnné signály. Tyto signály začínají na 500 MHz a mohou jít mnohem výše, dokonce i do milimetrových vlnových pásem. Je třeba zkontrolovat dielektrickou konstantu a ztrátový tangens materiálu desky. Tyto hodnoty ukazují, jak dobře deska přenáší vysokofrekvenční signály bez ztráty energie.

Vysokofrekvenční vs. vysokorychlostní desky plošných spojů

Vysoká frekvence a vysoká rychlost nejsou totéž. Vysokorychlostní desky plošných spojů rychle přenášejí digitální data. Vysokofrekvenční desky plošných spojů vedou vysokofrekvenční (RF) energii se stabilní impedancí. Níže uvedená tabulka ukazuje hlavní rozdíly:

Pro vysokofrekvenční desku plošných spojů musíte vybrat správné materiály. Tyto desky používají speciální materiály s nízkými dielektrickými ztrátami. Vyžadují přesné řízení impedance a dobré signálové cesty. To udržuje signály čisté i při vysokých frekvencích. Standardní desky plošných spojů ztrácejí příliš mnoho energie a nedokážou udržet signály silné.

Proč záleží na vysoké frekvenci

Mnoho moderních zařízení potřebuje vysokofrekvenční desky plošných spojů. Tyto desky odesílají a přijímají vysokofrekvenční signály s malými ztrátami. Pokud použijete standardní desku plošných spojů, setkáte se s problémy, jako je přeslech, odrazy a útlum. Tyto problémy ztěžují udržení čistých signálů. Vysokofrekvenční desky plošných spojů tyto problémy řeší speciálními materiály a pečlivým návrhem.

• Vysokofrekvenční desky plošných spojů fungují lépe než standardní desky plošných spojů s vysokofrekvenčními signály.
• Opravují elektrické problémy, jako jsou dielektrické ztráty a impedanční nesoulad.
• Lepších výsledků dosáhnete v bezdrátových, radarových a komunikačních systémech.

Tip: Vždy zkontrolujte ztrátový tangens materiálu vaší desky plošných spojů. Nižší ztrátový tangens znamená menší ztráty energie a čistší signály.

Materiál substrátu ve vysokofrekvenční desce plošných spojů dělá víc než jen drží součástky pohromadě. Řídí, jak se signály pohybují deskou. Pokud zvolíte nesprávný materiál, vaše signály budou slabé nebo zašumené. Musíte si dávat pozor na dielektrické ztráty, ztráty ve vodičích a změny dielektrické konstanty. Ty mohou způsobit ztrátu signálu při vysokých frekvencích.

Při navrhování pro vysoké frekvence musíte myslet na:

• Přeslech: Šum z blízkých tras.
• Odrazy: Signál se odráží zpět od impedančních neshod.
• Útlum: Signál slábne s rostoucí vzdáleností.
• EMI: Více elektromagnetického rušení na vyšších frekvencích.

Vysoká frekvence je důležitá, protože vám pomáhá vytvářet rychlejší a jasnější zařízení. Pokud chcete, aby váš produkt v dnešním bezdrátovém světě dobře fungoval, musíte použít vysokofrekvenční desku plošných spojů.

Klíčové vlastnosti vysokofrekvenčních desek plošných spojů

Integrita a ztráta signálu

U vysokofrekvenčních konstrukcí je důležité zachovat integritu signálu. Vysokofrekvenční signály mohou při průchodu deskou plošných spojů slábnout. To se děje kvůli materiálu desky. Pokud má materiál vysoký disipační činitel, více energie se přemění na teplo. Tím signály ztrácejí na síle. Materiály na bázi PTFE mají mnohem nižší ztrátový tangens než FR4. To pomáhá signálům zůstat čistými a silnými, a to i při vysokých frekvencích.

Zde je tabulka, která ukazuje, jak si různé materiály vedou při frekvenci 10 GHz:

Pokud chcete dosáhnout nejlepší integrity signálu, vyberte materiály s nízkými dielektrickými ztrátami. To pomůže vaší vysokofrekvenční desce plošných spojů  lépe fungovat v bezdrátových a komunikačních systémech.

Impedance a tepelná regulace

Řízení impedance je velmi důležité pro vysokofrekvenční obvody. Je nutné udržovat impedanci stabilní podél obvodu. Pokud se impedance změní, signály se mohou odrážet a způsobovat šum. Existuje několik způsobů, jak impedanci řídit:

• Během návrhu předkompenzujte faktor leptání.
• Používejte řízení procesů a testujte pomocí TDR (časově doménové reflektometrie).
• Přidejte zemnící propojky blízko vodičů.
• Optimalizujte velikost protilehlých plošek a pro dlouhé pahýly použijte zpětné vrtání.

Důležitá je také tepelná regulace. Vysokofrekvenční obvody produkují teplo, které může poškodit desku a signály. K odvedení tepla od důležitých míst můžete použít tepelné prostupy a chladiče. Výběr materiálů s dobrou tepelnou vodivostí pomáhá prodloužit životnost vysokofrekvenčních desek.

Vlastnosti materiálu

Materiál, který si vyberete pro svůj vysokofrekvenční design, je velmi důležitý. PTFE má dielektrickou konstantu okolo 2,1, což je mnohem méně než FR4. Hodnoty FR4 se pohybují od 4,2 do 4,8. Nižší dielektrická konstanta znamená, že signály se šíří rychleji a zůstávají čistší. PTFE má také velmi nízkou ztrátovou tangentu, takže se ztrácí méně energie.

Vždy byste měli hledat materiály s nízkými dielektrickými ztrátami a stabilními vlastnostmi. To vám pomůže udržet vysokou integritu signálu a zajistí, aby vaše vysokofrekvenční deska plošných spojů dobře fungovala při vysokých frekvencích.

Tip: Při výběru materiálů pro vysoké frekvence berte v úvahu elektrický výkon, tepelnou stabilitu a cenu. Nejlepší výsledky dosáhnete s materiály s nízkou dielektrickou konstantou a nízkým tangensem ztrát.

Materiály a konstrukce pro vysokofrekvenční desky plošných spojů

PTFE a pokročilé kompozity

Při výrobě vysokofrekvenční desky plošných spojů musíte vybrat správné materiály. PTFE je skvělou volbou pro vysokofrekvenční konstrukce. Má nízkou dielektrickou konstantu a velmi nízké dielektrické ztráty. To umožňuje rychlý přenos vysokofrekvenčních signálů a jejich udržení v dobré konzistenci. PTFE udržuje vysokou integritu signálu i při velmi vysokých rychlostech. Dalšími pokročilými kompozity jsou keramikou plněný PTFE, uhlovodíková keramika a vysokoteplotní termoplasty. Mezi značky, které tyto materiály vyrábějí, patří Rogers, Isola, Taconic, Arlon a řada Panasonic Megtron. Tyto materiály pomáhají vaší desce dobře fungovat při vysokých frekvencích.

Zde je tabulka, která ukazuje porovnání PTFE a FR4:

PTFE a pokročilé kompozity mají nízké dielektrické ztráty a lepší regulaci impedance. To pomáhá vašim obvodům dobře fungovat při vysokých frekvencích.

Vysokofrekvenční flexibilní PCB

Vysokofrekvenční flexibilní desky plošných spojů mohou vyřešit mnoho konstrukčních problémů. Tyto desky se mohou ohýbat a kroutit, aby se vešly do malých nebo nestandardních prostor. Používají speciální materiály s nízkými dielektrickými ztrátami. To udržuje vysokofrekvenční signály čisté a silné. Získáte také lepší regulaci impedance, takže je méně problémů se signálem.

Zde je tabulka, která vysvětluje, proč jsou vysokofrekvenční flexibilní desky plošných spojů vhodné pro vysokofrekvenční použití:

Vysokofrekvenční flexibilní desky plošných spojů mohou být v některých ohledech lepší než pevné desky. Rozdíly si můžete prohlédnout zde:

Pro vysokofrekvenční obvody, radary, satelity a 5G zařízení byste měli používat flexibilní desky plošných spojů pro vysoké frekvence. Tyto desky vám pomohou dosáhnout nejlepšího vysokofrekvenčního výkonu.

Výzvy v oblasti designu a výroby

Navrhování vysokofrekvenčních desek plošných spojů s sebou nese mnoho výzev. Je obtížné udržet stabilní impedanci. Pokud impedanci nekontrolujete, signály se mohou odrážet a ztrácet kvalitu. Během testů se mohou projevit problémy s elektromagnetickým rušením a zářením, jejichž oprava je drahá. Výrobní vady sice desku nepoškodí, ale mohou způsobit její špatnou funkci. Změny teploty mohou způsobit mechanické i elektrické poruchy. S rostoucí frekvencí se zhoršují přeslechy a šum.

Zde jsou některé běžné problémy:

• Složitost návrhu a požadavky na vysokou hustotu
• Výběr materiálu a kontrola nákladů
• Vysoké standardy kvality a potřeby testování
• Technické výzvy ve výrobním procesu

Musíte si také dávat pozor na problémy s propojením přes propojení. Jedna společnost zabývající se lékařským zobrazováním měla 34% míru selhání kvůli problémům s propojením přes propojení u RF modulů na frekvenci 5,8 GHz. Většina poruch integrity signálu, problémů se ztrátou odrazu a problémů s elektromagnetickým rušením pochází ze struktur přes propojení přes propojení. Pečlivý návrh a testování vám pomohou těmto problémům předejít a udržet vaši vysokofrekvenční desku plošných spojů v dobrém stavu.

Tip: Při návrhu vysokofrekvenční desky plošných spojů vždy zkontrolujte nízké dielektrické ztráty a dobrou regulaci impedance. To vám pomůže vyhnout se běžným problémům a dosáhnout nejlepších výsledků.

Vysokofrekvenční aplikace

Bezdrátová a mobilní zařízení

Vysokofrekvenční desky plošných spojů se používají v zařízeních, jako jsou chytré telefony a routery Wi-Fi 6. Jsou také v základnových stanicích 5G. Tyto desky pomáhají vašemu zařízení odesílat a přijímat signály s menšími ztrátami. To znamená, že vaše hovory zní čistě. Váš internet je také rychlejší. Speciální materiály a konstrukce zajišťují, že tyto desky plošných spojů fungují lépe. Jedním z příkladů je Rogers RO4003C. Pomáhá zastavit ztrátu signálu a udržuje vaše data v dobré kondici. Níže uvedená tabulka ukazuje, jak tyto funkce pomáhají vašim bezdrátovým zařízením:

Těchto výhod si všimnete při streamování videí nebo připojování se k videohovorům na telefonu.

Letecký a automobilový průmysl

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) se nacházejí v radarových systémech a satelitech. Jsou také součástí pokročilých asistenčních systémů pro řidiče, nazývaných ADAS. Tyto desky pomáhají automobilům vyhnout se nehodám. Pomáhají letadlům sledovat objekty na obloze. Vysokofrekvenční využití v těchto oblastech vyžaduje silné signály a stabilní provoz. Zde je několik způsobů, jak tyto desky plošných spojů pomáhají:

• Radarové systémy používají k vyhledávání objektů vysokofrekvenční desky plošných spojů.
• Systém ADAS potřebuje tyto desky pro věci, jako je předcházení nehodám a tempomat.
• Tyto desky plošných spojů (PCB) přenášejí data rychle s malými ztrátami.

Níže uvedená tabulka ukazuje, co dělají:

Na tyto desky se spoléháte, pokud jde o vaši bezpečnost a o to, abyste se dostali tam, kam potřebujete.

Lékařské a průmyslové využití

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) se používají v přístrojích pro magnetickou rezonanci a ultrazvukových systémech. Tato zařízení potřebují jasný obraz a rychlá data. V továrnách se vysokofrekvenční desky plošných spojů používají v automatizačních systémech. Tyto systémy potřebují rychlé a stabilní signály. Níže uvedená tabulka ukazuje, jak tyto desky pomáhají v tomto odvětví:

Důvěřujete těmto radám, pokud jde o kvalitní lékařské testy a stroje, které každý den dobře fungují.

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) najdete   v bezdrátových technologiích, lékařství a automobilové technice. Výběr správného materiálu pomůže vaší desce dobře fungovat. Měli byste se zaměřit na tyto věci:

• Nízká dielektrická konstanta způsobuje rychlý přenos signálů
• Nízký disipační činitel udržuje signály silné
• Vysoká tepelná vodivost pomáhá regulovat teplo
• Odolnost vůči vlivům prostředí prodlužuje životnost desek

Pokud se zaměříte na tyto vlastnosti, vaše zařízení budou spolehlivá. Vždy myslete na to, co váš projekt potřebuje. Vysokofrekvenční desky plošných spojů vám pomohou vyrábět lepší produkty, které dobře fungují každý den.

Často kladené otázky

Jaký je hlavní rozdíl mezi vysokofrekvenčními a standardními deskami plošných spojů?

Pro signály nad 500 MHz se používají vysokofrekvenční desky plošných spojů. Standardní desky plošných spojů fungují nejlépe při nižších frekvencích. Vysokofrekvenční desky používají speciální materiály, aby signály zůstaly čisté a silné.

Proč potřebujete speciální materiály pro vysokofrekvenční desky plošných spojů?

Speciální materiály jako PTFE mají nízké dielektrické ztráty. Díky tomu nedochází ke slabému nebo zašuměnému signálu. Získáte lepší výkon v bezdrátových a rychlých komunikačních zařízeních.

Lze použít FR4 pro vysokofrekvenční konstrukce?

Pro vysokofrekvenční obvody byste se měli vyhnout materiálu FR4. FR4 má vyšší ztráty a může zeslabit signál. Pro tyto potřeby je mnohem lepší PTFE nebo pokročilé kompozity.

Kde v reálném životě najdete vysokofrekvenční desky plošných spojů?

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) najdete   v chytrých telefonech, Wi-Fi routerech, radarových systémech a lékařských přístrojích. Tyto desky pomáhají vašim zařízením rychle a jasně odesílat a přijímat signály.

O autorovi:

Sonic Yang

Jakožto hlavní obor elektroniky a mechanické automatizace se společnost Sonic již přibližně 22 let zabývá návrhem desek plošných spojů, výzkumem a vývojem a výrobou elektroniky, kde působí jako technický ředitel a koordinuje dodavatelský řetězec (komponenty a CNC díly) a poskytuje profesionální podporu a konzultace zákazníkům po celém světě.