En terminología técnica, hablamos de PCB de RF cuando la frecuencia operativa de las señales es superior a 100 MHz. Esta categoría incluye los PCB de microondas, en los que las señales de RF tienen frecuencias superiores a 2 GHz. Los PCB de RF se utilizan en múltiples aplicaciones, entre las que se incluyen sistemas de transmisión inalámbrica, smartphones, radares, sensores y sistemas de seguridad. En comparación con los PCB tradicionales, los PCB de RF implican un diseño más complejo, principalmente en relación con la integridad de la señal, la inmunidad al ruido, la interferencia electromagnética y tolerancias de impedancia estrictas.
Los desafíos a afrontar
Las señales de RF son particularmente sensibles al ruido y, por tanto, las posibilidades de ondulación o reflexión de la señal no son infrecuentes. La impedancia también es particularmente crítica en este tipo de circuitos, donde es necesario controlar el valor de impedancia a lo largo de todas las trazas del circuito. Asimismo, es necesario reducir las pérdidas de potencia provocadas por las reflexiones de la señal, diseñando rutas adaptadas para la corriente de retorno que, a medida que aumenta la frecuencia, tiende a seguir las rutas que proporcionan un valor de inductancia. A medida que aumentan el rendimiento y la densidad de los componentes, la diafonía, es decir, la transferencia de energía entre trazas adyacentes causada por acoplamientos inductivos o capacitivos, adquiere un papel fundamental.
A la hora de diseñar circuitos de RF, deben tenerse en cuenta las propiedades de los materiales, como el factor de disipación y la constante dieléctrica. Un material común como el FR-4 tiene un factor de disipación superior al de los materiales específicos para altas frecuencias, como los laminados Rogers, esto da lugar a pérdidas de inserción significativas que aumentan a más altas frecuencias. Además, la constante dieléctrica del FR-4 puede aumentar hasta un 10 % con el aumento de la frecuencia y, así, provocar variaciones de impedancia a lo largo de las trazas del PCB.
1 – Selección de materiales
Los materiales utilizados habitualmente en la fabricación de PCB, como el FR-4 (nivel 4 de retardo de llama) suelen ser muy económicos, pero generalmente no son la opción más adaptada para aplicaciones de RF de alta frecuencia, especialmente si se considera la falta de uniformidad de la constante dieléctrica y un peor ángulo de tangencia. En el caso de los PCB de RF, se utilizan materiales específicos, como FEP, PTFE, cerámica, hidrocarburos y diversos tipos de fibra de vidrio. Los materiales FEP y PTFE, pertenecientes a la familia de los fluoropolímeros, mejoran la resistencia química del material base, tienen propiedades antiadherentes y uniformizantes, así como una extraordinaria resistencia al calor (pueden soportar temperaturas incluso superiores a 200 °C). Si el presupuesto no es un problema y la calidad prima sobre el precio, la mejor solución es el PTFE con fibra de vidrio, eventualmente fibra de vidrio tejida. A menor coste, encontramos el PTFE con revestimiento cerámico, que requiere un proceso de fabricación menos complejo. Muchos fabricantes de placas de circuito impreso utilizan materiales Rogers, fabricados por Rogers Advanced Connectivity Solutions (ACS), un productor líder de dieléctricos, laminados y preimpregnados para las aplicaciones de RF de alta frecuencia. Aunque los materiales Rogers sean más costosos, permiten reducir las pérdidas de potencia hasta en un 50 %, garantizando un alto rendimiento, incluso por encima de 20 GHz, y un valor de constante dieléctrica bajo que se mantiene estable y repetible con las variaciones de frecuencia. Dado que los PCB de RF suelen ser multicapa, lo más habitual es utilizar diferentes materiales que reúnan los requisitos de rendimiento eléctrico, propiedades térmicas y costes. Por ejemplo, en las capas exteriores pueden utilizarse los laminados Rogers de alto rendimiento y, en las capas interiores, los laminados de vidrio epoxídico más económicos.
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2 – Líneas de transmisión
Los PCB de RF requieren líneas de transmisión (microstrip, stripline, guía de onda coplanar u otras) donde el valor de impedancia debe controlarse rigurosamente, a fin de evitar pérdidas de potencia y asegurar la integridad de la señal. En las líneas de transmisión microstrip (Figura 1) el ancho de la traza, el grosor de la capa y el tipo de dieléctrico determinan el valor de la impedancia característica, cuyos valores típicos son 50 Ω y 75 Ω. Las microstrips se utilizan en las capas exteriores, mientras que las striplines se utilizan en las interiores. Por su parte, las guías de onda coplanar (conectadas a tierra) proporcionan el mejor grado de aislamiento, especialmente, en el caso de las señales de RF que atraviesan trazas muy cercanas.
Figura 1: Trazas microstrip, stripline y guía de onda coplanar
El valor de la impedancia característica (y, por consiguiente, el ancho de la traza) puede calcularse mediante una de las diversas herramientas disponibles en línea, teniendo en cuenta la necesidad de conocer exactamente el valor de la constante dieléctrica εR de cada capa (si, por ejemplo, una capa interna FR-4 tiene una εR=4,2, una capa externa de laminado preimpregnado podría tener un εR=3,8).
3 – Impedancia e inductancia
Un enfoque muy utilizado por los diseñadores es elegir un valor de impedancia común (usualmente 50 Ω), seleccionando, así, únicamente componentes de RF (filtros, antenas, amplificadores) que presentan esta impedancia característica. El valor de 50 Ω presenta la ventaja de estar muy extendido y simplifica la adaptación de impedancias, permitiendo asignar el ancho correcto a cada traza de PCB.
Por su parte, la inductancia puede tener un efecto considerable en el diseño de un PCB de RF y, por este motivo, debe mantenerse lo más baja posible. Esto se consigue proporcionando una conexión a tierra adecuada a cada componente de RF, utilizando múltiples orificios de paso y planos de tierra suficientemente amplios y libres de huecos o discontinuidades. Los planos de tierra deben colocarse adyacentes a los componentes y trazas de alta frecuencia.
4 – Enrutamiento
Una primera regla concierne la curvatura y los ángulos presentes en una traza. Si, por necesidades de enrutamiento, una línea de transmisión requiere un cambio de dirección, es preferible crear un arco con un radio de curvatura igual a, al menos, tres veces el ancho de la traza. Esto garantiza que la impedancia característica se mantenga constante en toda la sección curvilínea. De no ser posible, dibuje un ángulo, pero recuerde evitar los ángulos rectos, que deberán remplazarse por un par de ángulos de 45°.
En el caso de que una línea de transmisión deba atravesar dos o más capas, se recomienda insertar al menos dos orificios de paso por cada cruce, a fin de minimizar la consiguiente variación de la inductancia. De hecho, un par de vías es capaz de reducir la variación de la inductancia en un 50 %, si para los orificios se utiliza el mayor valor de diámetro compatible con el ancho de la traza. Las trazas que conectan los componentes de RF deben mantenerse lo más cortas posible, estar suficientemente espaciadas y dispuestas en perpendicular a las capas adyacentes, especialmente si estas son atravesadas por señales sensibles.
En cuanto al apilamiento, la mejor solución es la configuración multicapa, con cuatro capas. Aun si el coste es superior que al de una solución de doble capa, los resultados son mucho mejores y fácilmente repetibles. Deben insertarse planos de tierra continuos bajo las trazas que transportan señales de RF, puesto que las altas frecuencias no soportan las discontinuidades de los planos de tierra.
5 – Aislamiento
Debe prestarse especial atención a este aspecto, para evitar acoplamientos peligrosos entre las señales. Las líneas de transmisión de RF deben mantenerse lo más separadas posible de otras trazas (en especial, si las atraviesan señales de alta velocidad como HDMI, Ethernet, USB, horarias, señales diferenciales, etc.) y no recorrer largos tramos en paralelo. De hecho, el acoplamiento entre microstrips paralelas aumenta a medida que disminuye la distancia que los separa y aumenta la distancia recorrida en la dirección paralela. Asimismo, las trazas que transportan señales de alta potencia deben aislarse de otras partes del circuito. Se puede obtener un excelente valor de aislamiento mediante las guías de onda coplanares conectadas a tierra.
Las trazas que transportan señales de alta velocidad deben enrutarse en una capa diferente a la de las señales de RF, con el fin de evitar fenómenos de acoplamiento. Las líneas de alimentación también deben enrutarse en capas específicas, insertando condensadores de desacoplamiento/derivación adecuados.
6 – Planos de tierra
La práctica habitual consiste en insertar planos de tierra continuos (sin ninguna interrupción) adyacentes a cada capa que contenga componentes o líneas de transmisión de RF. En el caso de las striplines, se requieren planos de tierra específicos tanto por encima como por debajo del conductor central. Los orificios de paso pueden añadirse en las trazas de RF y en las proximidades de los componentes de RF para, así, reducir los efectos de las inductancias parásitas producidas por las rutas de retorno a tierra de la corriente. Los orificios de paso también ayudan a reducir el acoplamiento entre las líneas de RF y otras señales que circulan a través del PCB.
7 – Condensador de derivación
Tanto en configuraciones simples como en estrella, los condensadores de derivación de valor adecuado deben colocarse cerca de las clavijas de alimentación. En la configuración en estrella, particularmente útil en el caso de componentes con múltiples clavijas de alimentación, se coloca un condensador de desacoplamiento de mayor capacidad (unas decenas de microfaradios) en el centro de la estrella, mientras que, cerca de cada rama, se colocan otros condensadores de menor capacidad. La configuración en estrella evita largas trayectorias de retorno a tierra y, así, reduce las inductancias parásitas que podrían provocar la aparición de bucles de retroalimentación no deseados. Debe prestarse especial atención al valor de la frecuencia de autorresonancia (SRF, por sus siglas en inglés) del condensador, teniendo en cuenta que, por encima de este valor, el condensador adopta características inductivas que anulan la acción de desacoplamiento.
8 – Planos de tierra de los componentes
La mayoría de los circuitos integrados requieren un plano de tierra continuo en la capa del componente (la capa superior o inferior del PCB) situado directamente debajo del componente. El propósito de este plano es de llevar las corrientes de retorno de las señales de CC y RF hacia el plano de tierra asignado. Además, las denominadas «paletas de tierra» (Figura 2) desempeñan la función secundaria de disipar el exceso de calor y, por tanto, deben estar provistas de orificios de paso adecuados. Estas vías deben ser orificios pasantes, para que puedan atravesar múltiples capas del PCB; también deben estar chapadas internamente y rellenas con una pasta termoconductora para aumentar el efecto de disipación.
Figura 2: PCB con zona reservada para una paleta de tierra
