Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Leiterplatte Blog - Das Konzept und Entwurfsprinzip der Hochfrequenzschaltung und der Leiterplatte

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Das Konzept und Entwurfsprinzip der Hochfrequenzschaltung und der Leiterplatte

2022-09-22
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Author:iPCB

Für Hochfrequenz-LeiterplattenDesign, es gibt bereits gute CAD-Software, und seine leistungsstarken Funktionen sind genug, um den Mangel an Designerfahrung und umständlichen Parameterabruf und Berechnung der Menschen zu überwinden. Wer wenig Erfahrung hat, sollte in der Lage sein, die HF-Komponenten mit besserer Qualität zu vervollständigen. Aber in der Praxis, das ist nicht der Fall.

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1. Über CAD-gestützte Entwurfssoftware und Netzwerkanalysator

Für die Hochfrequenzschaltung gibt es bereits sehr gute CAD-Software. Seine leistungsstarken Funktionen reichen aus, um den Mangel an Designerfahrung und umständlichen Parameterabruf und -berechnung der Menschen zu überwinden. In Kombination mit leistungsstarken Netzwerkanalysatoren sollten es diejenigen mit etwas Erfahrung sein, die HF-Komponenten von besserer Qualität fertigen können. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall. CAD-Konstruktionssoftware stützt sich auf leistungsstarke Bibliodieksfunktionen, einschließlich Komponentenparameter und grundlegende Leistungsindikatoren, die von den meisten weltweiten Funkgeräteherstellern bereitgestellt werden. Viele HF-Ingenieure glauben fälschlicherweise, dass es kein Problem geben wird, solange das Werkzeug für die Konstruktion verwendet wird. Das tatsächliche Ergebnis widerspricht jedoch immer dem Wunsch. Der Grund ist, dass sie die flexible Anwendung der Grundkonzepte des HochfrequenzschaltungsDesigns und die Anhäufung von Erfahrungen in der Anwendung grundlegender Konstruktionsprinzipien unter falschem Verständnis aufgeben. Dadurch machen sie oft grundlegende Anwendungsfehler bei der Anwendung von Softwaretools. Die HF-Schaltungsdesign-CAD-Software ist eine transparente Visualisierungssoftware, die ihre verschiedenen Hochfrequenz-Basiskonfigurationsmodellbibliotheken verwendet, um die Simulation des tatsächlichen Schaltungsarbeitszustandes abzuschließen. Bisher können wir den Schlüsselzusammenhang bereits verstehen, es gibt zwei Arten von hochfrequenten Basiskonfigurationsmodellen, eines ist ein Komponentenmodell in Fürm von zentralisierten Parametern und das andere ist ein lokales Funktionsmodell in konventioneller Konstruktion. Es gibt also folgende Probleme:


1) Das Komponentenmodell und die CAD-Software interagieren und entwickeln sich seit langem, und sie werden immer perfekter. In der Praxis kann der Authentizität des Modells grundsätzlich vertraut werden. Die vom Komponentenmodell betrachtete Anwendungsumgebung (insbesondere die elektrische Umgebung der Komponentenanwendung) sind jedoch allesamt typische Werte. In den meisten Fällen muss die Reihe der Anwendungsparameter empirisch ermittelt werden, ansonsten liegen die tatsächlichen Ergebnisse ohne CAD-Software manchmal sogar noch weiter von den Konstruktionsergebnissen entfernt.


2) Das herkömmliche Hochfrequenz-Basiskonfigurationsmodell, das in CAD-Software etabliert ist, beschränkt sich normalerweise auf die vorhersehbaren Aspekte unter den aktuellen Anwendungsbedingungen und kann nur auf das grundlegende Funktionsmodell beschränkt werden (andernfalls muss die Produktentwicklung keine Menschen beschäftigen, und alle Arten von Produkten werden geboren, indem sie sich allein auf CAD verlassen.


3) Es ist besonders erwähnenswert, dass die Etablierung eines typischen Funktionsmodells durch die typische Anwendung von Komponenten und die Verwendung einer typischen und perfekten Prozessstruktur (einschließlich Leiterplattenstruktur) abgeschlossen wird, und seine Leistung hat auch ein "typisches" hohes Niveau erreicht. Aber in der Praxis ist es eine vollständige Nachahmung, die weit vom Modellzustand entfernt ist. Der Grund ist: Obwohl die ausgewählten Komponenten und ihre Parameter gleich sind, kann ihre kombinierte elektrische Umgebung nicht gleich sein. In Niederfrequenzschaltungen oder digitalen Schaltungen ist ein solcher Unterschied von einigen Zentimetern kein großes Hindernis, aber in Hochfrequenzschaltungen treten oft fatale Fehler auf.


4) Bei der Konstruktion von CAD-Software achtet die fehlertolerante Auslegung der Software nicht darauf, ob eine falsche Parametereinstellung eintritt, die der tatsächlichen Situation entgegensteht. Daher wird ein ideales Ergebnis entsprechend der Laufbahn der Software gegeben, aber in der Praxis ist es voller Probleme. Ergebnis. Es kann bekannt sein, dass die wichtigste Fehlerverbindung nicht die Grundprinzipien des HF-Schaltungsdesigns verwendet, um die CAD-Software korrekt anzuwenden.


5) CAD-Software ist nur ein Design-Hilfswerkzeug. Es verwendet seine Echtzeit-Simulationsfunktion, leistungsfähige Komponentenmodellbibliothek und seine Funktionsgenerierungsfunktion, typische Anwendungsmodellbibliothek usw., um die langwierige Design- und Berechnungsarbeit der Menschen zu vereinfachen. Bisher ist es bei weitem nicht in der Lage, künstliche Intelligenz im spezifischen Design zu ersetzen. Die Leistungsfähigkeit der CAD-Software beim unterstützten Design von HF-Leiterplatten ist ein wichtiger Aspekt der Popularität der Software. Aber in der Praxis werden viele HF-Ingenieure oft von ihnen "verstanden". Die Ursache ist immer noch die fehlertolerante Natur der Parametereinstellungen. Es wird oft verwendet, um ein ideales Modell (einschließlich jeder funktionalen Verknüpfung) mit Hilfe seiner Simulationsfunktion zu erhalten, aber erst nachdem das eigentliche Debugging gefunden wurde: Es ist besser, Ihre eigene Erfahrung zu verwenden, um zu entwerfen. Daher ist CAD-Software im PCB-Design immer noch nur für Ingenieure mit grundlegender HF-Design-Erfahrung und -Fähigkeiten von Vorteil und hilft ihnen, sich an langwierigem Prozessdesign (nicht-grundlegendes Prinzip-Design) zu beteiligen. Es gibt zwei Arten von Netzwerkanalysatoren, Skalar und Vektor, die wesentliche Instrumente für den Entwurf von HF-Schaltungen sind. Die übliche Praxis besteht darin, das Schaltungs- und Leiterplattendesign (oder CAD-Software) gemäß den grundlegenden HF-Schaltungskonzepten und -Prinzipien abzuschließen, die Probenverarbeitung der Leiterplatte abzuschließen und den Prototyp nach Bedarf zusammenzubauen und dann den Netzwerkanalysator zu verwenden, um jede Verbindung zu entwerfen. Die Netzwerkanalyse wird einzeln durchgeführt, und es ist möglich, die Schaltung in den Zustand zu bringen. Aber die Kosten dieser Arbeit sind die tatsächliche Produktion von mindestens 3~5 Versionen der Leiterplatte, und wenn es keine grundlegenden PCB Design Prinzipien und grundlegende Konzepte gibt, werden die erforderlichen PCB Versionen mehr sein (oder das Design kann nicht abgeschlossen werden). Bei der Verwendung eines Netzwerkanalysators zur Analyse der HF-Schaltung ist es notwendig, ein vollständiges Hochfrequenz-Leiterplattendesignkonzept und -prinzipien zu haben, und es muss in der Lage sein, die Konstruktionsfehler der Leiterplatte durch die Analyseergebnisse klar zu kennen. Nur dafür müssen die entsprechenden Ingenieure über umfangreiche Erfahrung verfügen. Bei der Analyse der Netzwerkverbindungen des Prototypen ist es notwendig, sich auf qualifizierte experimentelle Erfahrung und Fähigkeiten zu verlassen, um ein lokales funktionales Netzwerk aufzubauen. Da in vielen Fällen die vom Netzwerkanalysator gefundenen Schaltungsfehler viele Faktoren gleichzeitig haben, ist es notwendig, den Aufbau eines lokalen funktionalen Netzwerks zu verwenden, um die Ursache zu analysieren und gründlich zu untersuchen. Diese experimentelle Schaltungskonstruktion muss sich auf klare Hochfrequenz-Schaltungsentwurfserfahrung und qualifizierte Leiterplattenbauprinzipien stützen.


2. Geltungsbereich dieses Artikels

Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit dem Konzept und den Gestaltungsprinzipien von Mikrowellengeräten. Hochfrequenzschaltungen und seine Leiterplatte design, eine Grenzkategorie von Kommunikationsprodukten. Der Grund, warum das PCB-Konstruktionsprinzip der Mikrowellenhochfrequenzschaltung gewählt wird, ist, dass dieses Prinzip eine umfangreiche leitende Bedeutung hat und zur aktuellen Hightech-populären Anwendungstechnologie gehört. Der Übergang vom Mikrowellenkreis Leiterplatte design concept to the high-speed wireless network (including various access networks) projects is also in the same vein, weil sie auf dem gleichen Grundprinzip basieren, die Theorie der dualen Übertragungsleitung. Digitale Schaltungen oder relativ niederfrequente Schaltungen, die von erfahrenen HF-Ingenieuren entworfen wurden, haben eine sehr hohe Erfolgsrate, weil ihr Designkonzept auf "verteilten" Parametern zentriert ist, and the concept of distributed parameters is used in lower-frequency circuits (including The destructive effect in digital circuits) is often ignored by people. Für eine lange Zeit, the design of electronic products (mainly for communication products) completed by many peers is often full of problems. Einerseits, it is related to the lack of necessary links in electrical principle design (including redundancy design, Zuverlässigkeitsdesign, etc.), aber noch wichtiger, Viele solche Probleme treten auf, wenn Menschen denken, dass alle notwendigen Links berücksichtigt wurden. Als Antwort auf diese Probleme, sie investieren oft ihre Energie in die Überprüfung der Verfahren, elektrische Prinzipien, Parameterredundanz, etc., aber selten ihre Energie auf Überprüfung Leiterplatte design, was oft auf Leiterplatte Konstruktionsfehler. Verursacht viele Probleme bei der Produktleistung. Leiterplatte Designprinzipien umfassen viele Aspekte, einschließlich Grundprinzipien, Interferenzschutz, elektromagnetische Verträglichkeit, Sicherheitsschutz, und so weiter. Für diese Aspekte, besonders in Hochfrequenzschaltungen (especially microwave-grade Hochfrequenzschaltungen), the lack of relevant concepts often leads to the failure of the entire R&D project. Viele Menschen bleiben immer noch auf der Basis "elektrische Prinzipien mit Leitern verbinden, um eine vorbestimmte Rolle zu spielen", und sogar denken, dass "Leiterplatte Design gehört zur Betrachtung der Struktur, Technologie und Verbesserung der Produktionseffizienz". Viele HF-Ingenieure wissen auch nicht vollständig, dass diese Verbindung der besondere Fokus der gesamten Konstruktionsarbeit im HF-Design sein sollte, und sie investieren fälschlicherweise ihre Energie in die Auswahl von Hochleistungskomponenten, mit deutlicher Kostensteigerung und geringer Leistungsverbesserung. Besonders hervorzuheben ist, dass die digitale Schaltung auf ihre starke Interferenzsicherheit angewiesen ist., Fehlererkennung und -korrektur, und kann beliebig jede intelligente Verbindung konstruieren, um die normale Funktion der Schaltung sicherzustellen. Eine gewöhnliche digitale Anwendungsschaltung mit hoher Zusatzkonfiguration verschiedener "garantierter Normal"-Verbindungen ist offensichtlich eine Maßnahme ohne Produktkonzept. Allerdings, Es führt oft zu einer Reihe von Produktproblemen in der Verbindung, die als "nicht wert" angesehen wird. Der Grund ist, dass diese Art von Funktionsglied, die aus Sicht der Produktentwicklung nicht der Garantie der Bauzuverlässigkeit würdig ist, auf dem Arbeitsmechanismus der digitalen Schaltung selbst basieren sollte., but the wrong construction in the circuit design (including the Leiterplatte design) causes the circuit to be in a state of failure. instabiler Zustand. Die Ursache für diesen instabilen Zustand ist eine grundlegende Anwendung unter dem gleichen Konzept wie die ähnlichen Probleme der Hochfrequenzschaltungen.


Bei digitalen Schaltungen müssen drei Aspekte ernst genommen werden:

1) Das digitale Signal selbst gehört zum Breitspektrumsignal. Entsprechend dem Ergebnis der Fourier-Funktion enthält es sehr reiche Hochfrequenzkomponenten, so dass die Hochfrequenzkomponenten digitaler Signale bei der Gestaltung digitaler ICs vollständig berücksichtigt werden. Neben digitalen ICs werden jedoch die Signalübergangsbereiche innerhalb und zwischen den einzelnen Funktionsverbindungen, wenn sie willkürlich sind, zu einer Reihe von Problemen führen. Besonders bei Schaltungen, bei denen digitale und analoge und hochfrequente Schaltungen gemischt werden.

2) Verschiedene Arten von Zuverlässigkeitsentwürfen in digitalen Schaltungsanwendungen beziehen sich auf die Zuverlässigkeitsanforderungen und produkttechnischen Anforderungen von Schaltungen in praktischen Anwendungen, und verschiedene kostenintensive "Garantie"-Teile können nicht zu Schaltungen hinzugefügt werden, die konventionell entworfen wurden, um die Anforderungen zu erfüllen.

3) Die Arbeitsgeschwindigkeit von digitalen Schaltungen bewegt sich in Richtung Hochfrequenz mit beispielloser Entwicklung (zum Beispiel die aktuelle CPU, deren Hauptfrequenz 1.7GHz erreicht hat, überschreitet die untere Grenze des Mikrowellenfrequenzbandes weit). Obwohl die Zuverlässigkeitssicherungsfunktionen verwandter Geräte gleichzeitig unterstützt werden, basieren sie auf den internen und typischen externen Signaleigenschaften des Geräts.


3. Ein Überblick über die leitende Bedeutung der dualen Übertragungsleitungstheorie für das Design von Mikrowellenschaltungen und die Prinzipien der Leiterplattenverdrahtung

Leiterplattenkonzept unter der Zwei-Linien-Theorie

Für Mikrowellengeräte Hochfrequenzschaltungen, jede entsprechende Streifenlinie auf der Leiterplatte forms a microstrip line (asymmetrical) with the ground plate. For Leiterplattes mit mehr als zwei Schichten, Eine Mikrostreifenlinie und ein Streifen können gebildet werden. line (symmetrical microstrip transmission line). Different microstrip lines (double-sided Leiterplattes) or strip lines (multi-layer Leiterplattes) form coupled microstrip lines, Dadurch entstehen verschiedene komplexe Vier-Port-Netze, Dadurch bildet sich eine Leiterplatte auf Mikrowellenebene Verschiedene Eigenschaften der Platine. Es kann gesehen werden, dass die Theorie der Mikrostreifen-Übertragungsleitung die Konstruktionsbasis der mikrowellengerechten Hochfrequenzschaltung ist Leiterplatte. Für RF-Leiterplatte Design über 800MHz, the Leiterplatte network design near the antenna should fully follow the microstrip theoretical basis (rather than just using the microstrip concept as a tool to improve the performance of lumped-parameter devices). Je höher die Frequenz, Je bedeutender die leitende Bedeutung der Mikrostreifentheorie wird. Für die zentralen Parameter und verteilten Parameter der Schaltung, obwohl je niedriger die Betriebsfrequenz, je schwächer die Wirkung der verteilten Parameter, aber die verteilten Parameter sind immer vorhanden. Es gibt keine klare Trennlinie, ob der Einfluss von Verteilungsparametern auf die Schaltungseigenschaften berücksichtigt werden soll. Daher, Die Etablierung des Konzepts der Microstrip ist gleichermaßen wichtig für das Design der digitalen Schaltung und der relativen Zwischenfrequenzschaltung PCB. Die Grundlagen und Konzepte der Mikrostreifentheorie und das Designkonzept von HF-Schaltungen auf Mikrowellenebene und Leiterplattes sind eigentlich eine Anwendung der Mikrowellen-Doppelübertragungsleitungstheorie. Für RF-Leiterplatte Verkabelung, each adjacent signal line (including adjacent adjacent) All form the characteristics that follow the basic principle of the double line (this will be clearly explained later). Obwohl die gemeinsame Mikrowelle HF-Schaltung mit einer Erdungsebene auf einer Seite ausgestattet ist, so dass die Mikrowellensignal-Übertragungsleitung auf ihr tendenziell ein komplexes Vier-Port-Netzwerk ist, damit unmittelbar der gekoppelten Mikrostreifentheorie folgend, aber ihre Grundlage ist immer noch die Zweidrahttheorie. Daher, in der Designpraxis, Die leitende Bedeutung der Doppellinientheorie ist umfangreicher. Im Allgemeinen, für Mikrowellenschaltungen, Die Mikrostreifentheorie hat quantitative Leitbedeutung, die zur spezifischen Anwendung der Zweizeilentheorie gehört, und die Zweilinientheorie hat eine breitere qualitative Leitbedeutung. Es ist erwähnenswert, dass alle Konzepte, die von der Zweizeilentheorie gegeben werden, auf der Oberfläche, it seems that some concepts have no connection with the actual design work (especially digital circuits and low-frequency circuits), was eigentlich eine Illusion ist. Zwei-Linien-Theorie kann alle konzeptionellen Fragen im elektronischen Schaltungsdesign leiten, Besonders die Bedeutung von PCB-Schaltungsdesignkonzepten ist prominenter. Obwohl die Zwei-Linien-Theorie auf der Prämisse der Mikrowelle etabliert ist Hochfrequenzschaltungen, Dies liegt nur daran, dass der Einfluss verteilter Parameter in Hochfrequenzschaltungen wird bedeutsam, was die leitende Bedeutung besonders hervorhebt. In digitalen oder niederfrequenten Schaltungen, Die verteilten Parameter sind im Vergleich zu den zentralisierten Parameterkomponenten vernachlässigbar, und der Begriff der Zweizeilentheorie wird entsprechend vage. Allerdings, Die Unterscheidung von Hoch- und Niederfrequenzschaltungen wird in der Konstruktionspraxis oft übersehen. In welche Kategorie fällt eine typische digitale Logik oder Pulsschaltung?? Offensichtlich niederfrequente Schaltungen und niederfrequente Schaltungen mit nichtlinearen Komponenten, wenn sich einige sensible Bedingungen ändern, Es ist leicht, einige Hochfrequenzmerkmale widerzuspiegeln. Die Hauptfrequenz der CPU hat 1 erreicht.7GHz, weit über die untere Grenze der Mikrowellenfrequenz, aber es ist immer noch eine digitale Schaltung. Wegen dieser Unsicherheiten, das Design der Leiterplatte ist extrem wichtig. In vielen Fällen, Passive Komponenten in Schaltungen können Übertragungsleitungen oder Mikrostreifenleitungen mit spezifischen Spezifikationen entsprechen, und kann durch duale Übertragungsleitungstheorie und ihre zugehörigen Parameter beschrieben werden. Kurz gesagt, Es kann davon ausgegangen werden, dass die duale Übertragungsleitungstheorie auf der Grundlage der Synthese aller Eigenschaften elektronischer Schaltungen geboren wurde. Daher, im strengen Sinne, wenn jedes Glied in der Entwurfspraxis zuerst auf dem Konzept basiert, das in der Theorie der dualen Übertragungsleitung verkörpert wird, dann die entsprechende Leiterplatte circuit will face very few problems (no matter what the circuit is in working conditions).