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16 Étapes de la conception de circuits imprimés micro-ondes

Cartes de circuits imprimés avec des puces à haute vitesse et des structures de circuits imprimés micro-ondes ont de nombreux paramètres qui diffèrent considérablement de ceux des, cartes de circuits imprimés rigides et flexibles. Ces différences sont expliquées dans IPC-6018B, Spécifications de qualification et de performance pour la fréquence radio (Four micro onde) Cartes de circuits imprimés. “High frequency” is one of the three primary classifications of circuit boards of the IPC (the other two classifications are “rigid” and “flexible” circuit boards).

Conception de circuits imprimés micro-ondes

Besoins spéciaux

Quiconque ne sait rien des particularités de ces gammes de fréquences secouera d'abord la tête sur ce chapitre. Because not only – because of the losses that occur – other circuit board materials than at low frequencies have to be used (très souvent à base de téflon ou de céramique, mais aussi de nouveau, matières organiques spécialement développées. Les composants du PCB micro-ondes sont différents (l'optimum pour le moment est l'utilisation de composants de puces SMD de tailles 0603 ou mieux 0402, where “0402” means a size of 1mm x 0.5mm) et de nouveaux sont constamment ajoutés. en plus, a completely different “wiring technology” must be used on the printed circuit boards in order to make the circuits work properly.

«Option de remplissage en masse» fournie par Target (et propagé à cet effet) dans de tels circuits ne suffit que jusqu'à quelques centaines de mégahertz avant que de nouveaux problèmes ne commencent et la méthode décrite ci-dessous doit être finalement modifiée.

Passe-bas LC simple pour la résistance aux ondes

Jetons un œil à un simple passe-bas LC pour la résistance d'onde Z = 50 et une fréquence de coupure de 100 MHz. La composante des valeurs de PCB micro-ondes elles-mêmes est obtenue après avoir entré les paramètres de filtre dans l'un des programmes de filtre modernes. Tous les composants ne peuvent être utilisés que dans la version SMD (ici: 1206 pour les condensateurs, les bobines, d'autre part, as “2220” with an additional ground connection for the shielding housing).

Tout cela est encore possible et semble tout à fait normal. Ce n'est qu'avec le circuit imprimé que cela devient plus intéressant:

Le dessous de la carte de circuit imprimé est pourvu d'une surface de masse continue (= GND) et tout ce qui doit être mis à la terre reçoit son propre «plot de mise à la terre» sur le dessus avec autant de trous plaqués que possible.

Dans la serie, les trous métallisés eux-mêmes sont, bien sûr, designed as “real plated-through holes”. L'utilisation de rivets creux plaqués argent d'un diamètre de 0.8 mm (= même testé jusqu'à 10 GHz) fonctionne très bien avec la première carte de test.

Les connexions d'entrée et de sortie ne peuvent être effectuées que via des lignes microruban avec l'impédance d'onde Z correcte et la largeur correcte correspondante (ce qui dépend bien sûr du matériau conducteur, the board thickness and – unfortunately – also somewhat on the operating frequency.

Bien sûr, avec des condensateurs de filtrage avec leurs valeurs souvent tordues, vous n'essayez pas de trouver des choses aussi exotiques nulle part. Ils sont facilement réalisés en connectant jusqu'à trois valeurs standard SMD de la série standard E12 en parallèle. Réduit même l'auto-inductance globale et déplace ainsi la résonance naturelle vers des fréquences plus élevées. Des écarts allant jusqu'à 1 2% de la valeur totale sont tolérables, c'est pourquoi nous remplaçons le 33.2 pF avec 33 pF et le 57.2 pF avec 56 pF dans notre exemple.

Les nouvelles demandes

La manipulation du programme CAO PCB et ses propriétés changent considérablement. Les nouvelles demandes pour ce processus de PCB micro-ondes ressemblent à ceci:

une) Ni un autorouter ni un autoplacer ne peuvent être utilisés. La position de chaque composant sur le circuit imprimé doit garantir les câbles de connexion les plus courts au composant suivant (car chaque millimètre supplémentaire de câble peut signifier une inductance supplémentaire). Cela signifie que les composants doivent pouvoir être déplacés avec une précision maximale sans problème ou pivotés de n'importe quel angle. Et tout à la main.

b) D'autre part, les pastilles de soudure pour les composants SMD doivent être aussi petites que possible, car ils apportent des capacités supplémentaires dans le circuit. These capacities must already be taken into account in the design and circuit simulation …

c) Très souvent, vous êtes obligé de concevoir de nouvelles pastilles de soudure SMD ou même de nouveaux boîtiers, car il n'y a généralement rien dans la bibliothèque pour les composants spéciaux requis. Cela ne devrait pas être une science secrète et devrait se produire très rapidement.

ré) La possibilité de créer les «vias» (= placage traversant) doit être disponible.

e) Les surfaces au sol requises doivent être faciles à créer et dégager automatiquement les trous des vias.

F) À la fin, les pistes conductrices ne doivent pas être arrondies, leur largeur et longueur doivent être ajustables au centième de millimètre près.

g) Le niveau le plus bas du circuit imprimé est entièrement pourvu d'une couche de cuivre, which is connected to “GND” (= sol) via les vias.

h) par conséquent, le câblage n'est effectué que sur le dessus (d'habitude: niveau 1). Bien sûr, vous devez faire très attention à ce que les boîtiers des CI ou des transistors puissent être correctement reflétés s'ils ont été conçus pour être utilisés au niveau le plus bas.

Exemple de conception ( PCB micro-ondes ): 100 MHz – low pass

Nous voulons maintenant comprendre le processus de conception complet du passe-bas ci-dessus.

Étape 1:
We start a new project “Circuit board with circuit diagram” and give it a suitable name.

Étape 2:
On passe au schéma électrique, get a “vertical DIN A4 sheet” from the “frame library” (FRAME.BTL3001) et mettez-le sur l'écran. Il est préférable d'étiqueter immédiatement votre champ de texte, sinon vous l'oublierez plus tard.

Étape 3:
Maintenant, le diagramme PCB micro-ondes est dessiné. The capacitors come as “C 1206” from the “C.BTL3001” library, the coils as “L” from the “L.BTL3001” library.

Entry and exit markers can be found as “references” in the pull-down menu “Other components”. Vous pouvez le trouver en plaçant le curseur sur le symbole du transistor dans la barre de défilement, puis en faisant glisser le pointeur de la souris un peu vers la droite.

Là, vous obtenez également les symboles de masse.

N'oublie pas: chaque composant du circuit imprimé micro-ondes est maintenant cliqué en premier pour le marquer. Then press “w” until the crosshair flashes. With “ä” you get into the change menu and enter the exact component value there.

Étape 4:
Maintenant, nous avons besoin de la carte de circuit imprimé et passez à l'écran de la carte de circuit imprimé en cliquant sur le symbole de la carte de circuit imprimé. Là, nous supprimons d'abord le cadre parfois dessiné pour obtenir un écran absolument vide. Then we click on the IC symbol in the scroll bar and fetch a board with the dimensions 30mm x 50mm via “Free housing” and the library “PLATINEN.GHS3001”.

Étape 5:
Maintenant, ce tableau est zoomé pour remplir le format. Then you should quickly go behind the “button with the eye” to briefly change the screen grid to 1mm. Cela permet d'approcher plus facilement les positions du 4 trous de montage, comme ils devraient s'asseoir 3 mm du bord de la planche.

Une fois que c'est fait, le curseur est roulé aussi précisément que possible sur le coin inférieur gauche de la planche. The keyboard key “Pos1” immediately declares this corner as the relative zero point of our system (coordonnées 0 | 0) and we move the mouse to the position “3mm | 3mm “. There we press the “dot” on the keyboard twice in succession (pour régler le via) and then cut off the unwinding connecting wire with “Escape”.

Le reste 3 les trous sont créés de la même manière. Vos positions sont:
3mm | 27mm 47 mm | 3mm 47 mm | 27mm

Veuillez réinitialiser la grille d'écran à 0,1 mm maintenant!

Étape 6:

You now place a horizontal “auxiliary line” across the microwave PCB board. Il doit aller clairement à gauche et à droite sur le bord de la planche et avoir exactement la même largeur que le 50 ligne microruban ohm. Don’t worry … after the following actions this line will be deleted! Pour faire ça, nous ouvrons le menu des outils de dessin, click on the “straight line” and then on the letter “o” (pour les options).

Il est maintenant nécessaire de régler la largeur de ligne sur 1.83 mm, ne pas arrondir les extrémités et sélectionner le niveau 16 (c'est à dire. cuivre sur le dessus).

Vous dessinez également une ligne auxiliaire verticale plus étroite (largeur légèrement plus petite. Ici: 0.5 mm) comme axe vertical de symétrie. Voilà à quoi ça ressemble à la fin.

Étape 7:

Maintenant, placez d'abord le condensateur central C2 au centre marqué de cette manière. Please do not forget to activate the “Mount SMD on top” option when selecting the “1206” housing and then use the “d” key to turn the component 90 degrés avant de le poser.

Voici à quoi ressemble le centre de la carte PCB micro-ondes immédiatement avant que le condensateur ne soit posé.

Étape 8:

Pour les deux bobines, nous choisissons le boîtier SMD 2220 et disposez-les comme indiqué sur l'image ci-contre. pourtant, s'il vous plaît montrer les lignes aériennes au préalable (= niveau 27) et tournez les composants afin que les conduites d'air correspondent correctement au câblage. And not the option “populate SMD on top …”
oublier.

Étape 9:

Il est maintenant temps de connecter les deux condensateurs externes, qui sont placés sous les connexions de la bobine.

Étape 10:

Now we can delete our two “auxiliary lines” and pull three pieces of cable with a width of 1.83 mm as “microstrip wiring” from the left to the right edge.

First like this …

alors comme ça!

Étape 11:

Maintenant, nous donnons à chaque condensateur un beau champ de 5 vias pour sa mise à la terre.
Te souviens tu? You have to move the cursor to the intended position and then press the “dot” on the keyboard twice in succession. Then the additional connecting wire is cut with “ESCAPE”.

(Un diamètre d'alésage de 0.6 mm, une aura de 0.3 mm et un diamètre de 1.5 mm ont été sélectionnés).

Étape 12:

Et parce que cela fonctionne déjà bien, nous disposons deux petits tapis dans la moitié supérieure pour mettre à la terre les coupelles de protection de la bobine.

Étape 13:

À partir des outils de dessin (= bouton avec le crayon) we get the “filled rectangle” and press “o” for the options. Les rectangles doivent être de niveau 16 (= cuivre sur le dessus) et devrait combiner les cinq vias d'une connexion à la terre.

Heureusement, the holes in the vias are automatically kept free by the program – we don’t have to do anything about that.

Étape 14:

Tu ne devrais jamais oublier ça:
une étiquette appropriée sur la face supérieure en cuivre (niveau 16) doit être, because otherwise the microwave PCB manufacturer does not know what is up or down and we may get A “mirrored” board may have been supplied.
On retrouve également l'option texte derrière le bouton avec le crayon.

Étape 15:

Et pour arranger les choses, we go behind the “button with the magic wand” to activate the mass area filling option.

Nous libérons le côté inférieur (niveau 2 = cuivre ci-dessous) and select the signal “GND”.

Ensuite, le programme démarre.

Voilà à quoi ça ressemble.

Dernière étape:

Pour imprimer le haut du tableau, on passe seulement aux niveaux 16 (= cuivre sur le dessus), 23 (= contour) et 24
(= Forages). Ensuite, nous pouvons regarder de plus près à quoi ressemblera la carte PCB micro-ondes.

Spécifications de qualification et de performance des circuits imprimés micro-ondes

IPC-6012, spécification de qualification et de performance pour circuits imprimés rigides et IPC-6013, spécification de qualification et de performance pour PCB flexible.

Typiquement, l'IPC essaie de mettre à jour ces trois spécifications de qualification et de performance en même temps. IPC-6018 a été publié en janvier 2002 question «A».

Matériel PCB micro-ondes

Le marché de la technologie micro-ondes compte beaucoup moins d'utilisateurs que les technologies PCB conventionnelles. Il n'y a qu'un petit nombre de fournisseurs de PTFE, le matériau Téflon souvent utilisé pour les substrats à ondes microniques. Le contraste avec les nombreuses entreprises, la plaque métallique à base de stratifiés FR-4. pourtant, en ce qui concerne l'utilisation des matériaux, le terme «petit nombre» devient rapidement relatif dans l'immense industrie électronique. De nombreuses cartes de circuits imprimés micro-ondes sont maintenant utilisées.

Application de PCB à micro-ondes

“This technology is used in many commercial applications such as cellular base stations and military products today,” said Michael Luke, président du sous-comité IPC D-22 qui a élaboré la directive IPC-6018.

Alors que la vitesse des puces semi-conductrices continue d'augmenter, les technologies micro-ondes seront également nécessaires dans d'autres domaines.

Lignes directrices pour la production de PCB à micro-ondes

Les ajouts traitent de nombreux changements concernant les matériaux du substrat de la carte de circuit imprimé et les pistes conductrices sur eux.. Les pistes conductrices dans la gamme des micro-ondes ont des paramètres de performance sensiblement différents de ceux utilisés pour les circuits imprimés conventionnels. De nombreuses traces d'un circuit imprimé micro-ondes typique peuvent être conçues selon les exigences IPC pour les circuits imprimés rigides et flexibles. Dans les zones dans lesquelles des signaux hyperfréquences à haute vitesse sont présents, toutefois, des valeurs de paramètres complètement différentes s'appliquent à la largeur du conducteur, épaisseur et espacement. Il ne fait donc aucun doute qu'une directive différente doit être utilisée lors de l'achat de cartes de circuits imprimés micro-ondes.

Il existe également des différences dans les substrats. Contrairement aux substrats FR-4 des cartes de circuits imprimés classiques, la plupart des circuits imprimés micro-ondes sont à base de PTFE (Téflon). Les stratifiés PTFE ont leurs propres propriétés lorsque les couches individuelles sont stratifiées. La stabilité dimensionnelle est complètement différente, je. H. Les concepteurs et les fabricants doivent en tenir compte lors de la disposition des circuits imprimés et du positionnement des trous enterrés ou des trous borgnes ou d'autres éléments nécessitant un perçage..

Lorsque ces trous sont percés, resin residue known as “resin smear” may remain when the hole wall is formed. «La directive IPC-6018B contient des critères spéciaux pour l'élimination des résidus de résine (frottis de résine), qui prennent en compte les propriétés spéciales des stratifiés de circuits imprimés haute fréquence. C’est un gros problème avec les circuits imprimés en PTFE, »Dit Perry.

Depuis l'achèvement du numéro A au début 2002, de nombreux autres changements se sont produits. Les développeurs de la directive ont ajouté des informations de référence sur les résistances passives et les condensateurs à la section 3 [CONDITIONS]. La nouvelle version a également amélioré les exigences pour les ruptures de bord de soudure, qui peut survenir lorsque des trous ne sont pas percés au milieu des patins. Le sujet des contraintes thermiques a également été revu pour tenir compte des progrès réalisés par les procédés de refusion par convection pour les tests de contraintes thermiques sur des éprouvettes au sol ou des échantillons de circuits imprimés de production.

Ryan Chan

Ryan est l'ingénieur électronique senior chez MOKO, avec plus de dix ans d'expérience dans cette industrie. Spécialisé dans la conception d'implantation de circuits imprimés, conception électronique, et conception embarquée, il fournit des services de conception et de développement électroniques pour des clients dans différents domaines, de l'IdO, LED, à l'électronique grand public, médical et ainsi de suite.

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