In den vergangenen Jahren wurde das Leiterplattendesign zu einer immer größeren Herausforderung; meist lag dies am gleichzeitigen Vorkommen von digitalen, Misch- und Hochfrequenzsignalen (HF). Im Allgemeinen kann bei einer Leiterplatte angenommen werden, dass sie zum HF-Typ gehört, wenn die Frequenz der beteiligten Signale höher als 100 MHz ist. Für das Layout und Routing einer HF-Leiterplatte ist ein anderer Ansatz als bei einer Niedrigfrequenzleiterplatte erforderlich und es muss einiges berücksichtigt werden. Je höher die Frequenz steigt, umso eher wird die Wellenlänge des HF-Signals mit den geometrischen Dimensionen der Leiterbahnen vergleichbar; aus diesem Grund ist es erforderlich, die gesamte Schaltung als System mit verteilten Parametern zu betrachten und sowohl die Amplitude als auch die Phasenverschiebung des Signals entlang der Übertragungslinie zu berücksichtigen, um mögliche Signalreflexionen zu vermeiden. Phänomene wie der Skineffekt (durch Unregelmäßigkeiten und Rauheiten auf den Kupferleiterbahnen), die kapazitive Kopplung zwischen Signalen auf nebeneinanderliegenden Leiterbahnen, die elektromagnetische Interferenz und die Impedanzkontrolle sind nur einige der größten Herausforderungen für Elektronikdesigner.
Wichtigste Richtlinien
Der erste Aspekt, der beim Routing von HF-Signalen zu berücksichtigen ist, betrifft die Impedanzanpassung. Eine Schaltung ohne Impedanzanpassung führt nicht nur zu einem deutlichen Leistungsverlust, sondern auch zu gefährlichen Signalreflexionen entlang der Leiterbahnen von Leiterplatten. Der Grundsatz der maximalen Leistungsübertragung besagt, dass die übertragene Leistung dann am größten ist, wenn der Lastwiderstand dem internen Widerstand der Quelle entspricht. Im Bereich des Wechselstroms besagt der Grundsatz, dass die Impedanz der Last die komplexe Konjugation der Quellimpedanz sein muss. Um die Leistungsübertragung zu maximieren, muss deshalb unbedingt die Impedanzanpassung berücksichtigt werden. Da die meisten Systeme und HF-Module eine Impedanz von 50 Ω aufweisen, sollten also auch die Leiterbahnen einer HF-Leiterplatte eine typische Impedanz von 50 Ω aufweisen. Die beiden bei Leiterplatten am häufigsten verwendeten Arten von Leiterbahnen sind Streifenleitungen (Microstrips), bei denen die Leiterbahnen an den äußeren Schichten der Leiterplatte (meist auf einer Grundplatte) platziert sind, und symmetrische Streifenleitungen (Striplines), bei denen jede Leiterbahn zwischen zwei Grundplatten liegt. In Abbildung 1 werden die beiden Arten von Leiterbahnen gezeigt: Wurde die Impedanz Z auf 50 Ω festgelegt, kann die Breite W anhand der Formeln der Norm IPC 2141A als Funktion von Dicke T und Abstand H zwischen Leiterbahn und Grundplatte berechnet werden.
Abbildung 1: Streifenleitung und symmetrische Streifenleitung.
Im Allgemeinen kann man sagen, dass die Breite einer Leiterbahn zum Tragen kommt, wenn die Länge mehr als ein Zehntel der Wellenlänge des durchlaufenden Signals beträgt. Beispielsweise entspricht die Frequenz f = 1 GHz einer Wellenlänge λ = c/f = 30 cm (wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist); die kritische Länge der Leiterbahn entspricht deshalb etwa 3 cm. Auf der Leiterplatte ist jedoch die Geschwindigkeit der Signalausbreitung niedriger als die Lichtgeschwindigkeit; sie wird vor allem durch das Quadrat der dielektrischen Konstante des Materials – bei FR-4 etwa 4,3 – reduziert. Aus diesem Grund beträgt die kritische Länge bei 1 GHz etwa 16 mm: Jede längere Leiterbahn (oder besser Übertragungsleitung) sollte über eine ordnungsgemäß berechnete Breite verfügen. Übertragungsleitungen sollten so weit wie möglich gerade geführt werden. Ist aus Routinggründen eine Richtungsänderung erforderlich, empfiehlt es sich, einen Kurvenradius zu wählen, der zumindest der dreifachen Leiterbahnbreite entspricht, wie dies in Abbildung 2 im Bild links gezeigt wird. So wird eine Variation in der typischen Impedanz entlang der gesamten Kurve minimiert. Kann eine Leiterbahn nicht mit Kurve platziert werden, sollte das Routing einen abgerundeten rechten Winkel nutzen, wie in Abbildung 2 im Bild rechts gezeigt wird.
Abbildung 2: Routing von gebogenen Leiterbahnen.
Muss eine Übertragungsleitung aus Layoutgründen über mehrere Schichten laufen, ist es erforderlich, sie über Durchkontaktierungslöcher einzuführen, wobei für jeden Übergang zumindest zwei Löcher vorgesehen werden sollten, um die Lastinduktivität zu minimieren. Sehr wichtig ist auch die korrekte Auswahl der Größe der SMD-Komponenten, da hier auf dem Markt zahlreiche Formate verfügbar sind. Im Hinblick auf passive SMD-Komponenten (Widerstände und Kondensatoren) besteht eine weithin angewandte Regel darin, Komponenten auszuwählen, deren Breite mit jener einer Leiterbahn mit einer Impedanz von 50 Ω vergleichbar ist, und so die Probleme mit der Impedanzanpassung zwischen der Leiterbahn und den Komponentenkontakten zu reduzieren.
Ein weiterer wichtiger Faktor, der sich auf das Routing auswirkt, ist die Auswahl des Lagenaufbaus, also von Anzahl und Typ der Schichten, aus denen die Leiterplatte besteht. HF-Leiterplatten bestehen in der Regel aus 2 oder 4 Schichten; in manchen Fällen können sie jedoch auch 8 Schichten erreichen. Bei doppelseitigen Leiterplatten befinden sich die Komponenten und Leiterbahnen auf der oberen Schicht, während die untere Schicht als Grundplatte genutzt wird und den kürzesten Weg für den Masserückleiterstrom bietet. Doppelseitige Leiterplatten sind eine sehr kostengünstige Lösung, erfordern jedoch aufgrund des eingeschränkten Platzes viel Sorgfalt bei Routing und Komponentenplatzierung. Die Dicke einer doppelseitigen Leiterplatte liegt in der Regel zwischen 0,8 und 1 mm, da eine größere Dicke (basierend auf den Betrachtungen oben im Hinblick auf die Impedanz) eine übermäßige Breite der Leiterbahnen erforderlich machen würde. Eine vierschichtige Leiterplatte vereinfacht das Routing deutlich, da mehr Platz für Komponenten verfügbar ist und sowohl Grund- als auch Leistungsplatten erstellt werden können. Der empfohlene Lagenaufbau wird in Abbildung 3 gezeigt. Beachten Sie, wie in dieser Struktur unter der obersten Schicht mit den Komponenten und Leiterbahnen stets eine Grundplatte liegt. Eine vierschichtige Leiterplatte bietet der Schaltung durch ihre größere Dicke auch mehr Robustheit und mechanischen Widerstand.
Abbildung 3: Vierlagiger Leiterplattenlagenaufbau.
Im Bezug auf das Layout in Abbildung 3 muss sichergestellt werden, dass HF-Signale ordnungsgemäß isoliert sind, um eine unerwünschte Kopplung mit anderen Signalen zu vermeiden. Dies beeinflusst vor allem Hochfrequenzübertragungsleitungen (z. B. die Rx- und Tx-Leitungen eines Funktransceivers), Hochfrequenzsignale (z. B. Uhr- oder PLL-Signale) und Leistungsleitungen. Es müssen auch so nah wie möglich an jedem Kontakt oder Verteilungspunkt der VCC-Versorgungsspannung entkoppelnde Kondensatoren eingebaut werden. Sie dienen dazu, dem Hochfrequenzrauschen einen Weg mit geringer Impedanz zu bieten. Die Kapazität dieser Kondensatoren sollte anhand der Frequenz der HF-Signale ausgewählt werden, die durch die Schaltung laufen; dabei ist zu beachten, dass auch der SRF-Parameter (Eigenresonanzfrequenz) bekannt sein muss, da sich der Kondensator über diesem Wert als Induktor verhält und aus diesem Grund nicht die Entkopplungs- oder Bypassfunktion erfüllen kann. Wie in Abbildung 3 gezeigt, gilt es als bewährte Praxis, eine solide (nicht unterbrochene) Grundplatte zu verwenden, die direkt unter die obere Schicht platziert wird, auf der sich die Komponenten und Übertragungsleitungen befinden. Für HF-Signale, die sehr steile Schaltflanken aufweisen, ist eine Grundplatte in unmittelbarer Nähe erforderlich, die den Rückstrom tragen kann. Wird darauf nicht geachtet, können Stromschleifen mit einer unerwünschten Signalabstrahlung und einer daraus resultierenden Verzerrung des HF-Signals entstehen. Schon die geringste Unterbrechung in der Grundplatte kann dazu führen, dass das Rücksignal einen anderen Weg einschlägt und große Signalprobleme verursacht. Genau aus diesem Grund werden Streifenleitungen verwendet, deren Breite und Abstand von der Grundplatte kontrolliert werden kann, um einen präzisen Impedanzwert zu erhalten und Signalreflexionen zu minimieren. Eine solide Grundplatte ermöglicht über spezielle Durchkontaktierungslöcher auch eine einfache Verbindung mit der Erdung der Kontakte. Im Allgemeinen sollte der Abstand zwischen zwei mit der Grundplatte verbundenen Durchkontaktierungslöchern nicht ein Zehntel der Wellenlänge der maximalen Betriebsfrequenz der Schaltung überschreiten. Beträgt beispielsweise die maximale Betriebsfrequenz 2,4 GHz, sollten die Durchkontaktierungslöcher einen Abstand von 6 mm aufweisen. Diese Durchkontaktierungslöcher sollten auch unbedingt an den Rändern der Leiterplatte platziert werden und so den HF-Verlust durch das Leiterplattenlaminat reduzieren.
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Die Grundplatte führt auch eine wichtige sekundäre Funktion aus: Sie dient effektiv zur Wärmeverteilung. In dieser Hinsicht ist es in diesem Fall auch erforderlich, eine ausreichende Anzahl von Durchkontaktierungslöchern – wenn möglich durch Lochdurchkontaktierungen durch alle Schichten der Leiterplatte und für ein besseres Wärmemanagement im Inneren mit Wärmeleitpaste beschichtet – vorzusehen.
