Nella terminologia tecnica, si parla di PCB RF quando la frequenza operativa dei segnali è superiore a 100 MHz. All’interno di questa categoria rientrano i PCB a microonde, in cui i segnali RF hanno frequenze superiori a 2 GHz. I PCB RF sono utilizzati in molteplici applicazioni, inclusi i sistemi di trasmissione wireless, smartphone, radar, sensoristica e sistemi per la sicurezza. Rispetto ai PCB tradizionali, i PCB RF presentano difficoltà progettuali maggiori, legate soprattutto all’integrità del segnale, all'immunità al rumore, alle interferenze elettromagnetiche e alle strette tolleranze sull’impedenza.
I segnali RF sono particolarmente sensibili al rumore e, pertanto, la possibilità che si verifichino fenomeni di oscillazione o riflessione del segnale sono molto concrete. Anche il controllo dell’impedenza è particolarmente critico in questa classe di circuiti, in cui occorre cercare di mantenere un controllo dell’impedenza lungo tutte le tracce del circuito. Occorre inoltre ridurre le perdite di potenza provocate dalle riflessioni del segnale, creando opportuni percorsi per la corrente di ritorno che, al crescere della frequenza, tende a seguire i cammini che offrono il valore di induttanza inferiore. Con il crescere delle prestazioni e della densità dei componenti, assume un ruolo primario la diafonia, ovvero il trasferimento di energia tra tracce adiacenti causato da accoppiamenti induttivi o capacitivi. Quando si progettano circuiti RF, occorre tenere in debita considerazione le proprietà del materiale, come il fattore di dissipazione e la costante dielettrica. Un materiale comune come l’FR-4 possiede un fattore di dissipazione maggiore rispetto a materiali specifici per le alte frequenze, come i laminati Rogers, comportando delle perdite di inserzione significative che aumentano con il crescere della frequenza. Inoltre, la costante dielettrica dell’FR-4 può aumentare anche del 10% al crescere della frequenza, comportando variazioni di impedenza lungo le tracce del PCB.
I materiali comunemente utilizzati nella fabbricazione dei PCB, come l'FR-4 (flame retardant level 4), sono molto economici ma non rappresentano in genere la scelta più adatta per le applicazioni RF ad alta frequenza, considerando soprattutto la non uniformità della costante dielettrica e un peggiore angolo di tangente. Per i PCB RF si utilizzano invece materiali specifici, come FEP, PTFE, ceramica, idrocarburi e vari tipi di fibra di vetro. I materiali PFE e PTFE, appartenenti alla famiglia dei fluoropolimeri, migliorano la resistenza chimica del materiale di base, presentano proprietà di anti-aderenza e scorrevolezza, oltre a una straordinaria resistenza al calore (sopportano temperature anche superiori a 200°C). Se non si hanno problemi di budget e la qualità è più importante del prezzo, la soluzione migliore è il PTFE con fibra di vetro, spesse volte intrecciata. A un costo inferiore si colloca il PTFE con rivestimento ceramico, il quale richiede un processo di fabbricazione meno complesso. Numerosi produttori di circuiti stampati utilizzano i materiali Rogers prodotti dalla società Rogers Advanced Connectivity Solutions (ACS), azienda leader nella fabbricazione di dielettrici, laminati e pre-preg per applicazioni RF di alta frequenza. I materiali Rogers, anche se più costosi, consentono di ridurre fino al 50% le perdite di potenza, garantendo prestazioni elevate anche al di sopra dei 20GHz e un basso valore di costante dielettrica che si mantiene stabile e ripetibile al variare della frequenza. Poiché i PCB RF sono in genere multistrato, l'approccio più comune è quello di utilizzare sui diversi layer materiali differenti in grado di soddisfare i requisiti di prestazioni elettriche, proprietà termiche e costi. I laminati Rogers ad elevate prestazioni possono ad esempio essere utilizzati sui layer esterni, mentre nei layer interni si possono utilizzare laminati in vetro epossidico, più economici.
I PCB RF richiedono delle linee di trasmissione (microstrip, stripline, coplanar waveguide o altre ancora) in cui il valore di impedenza deve essere strettamente controllato al fine di evitare perdite di potenza e garantire l'integrità del segnale. Nelle linee di trasmissione microstrip (Figura 1) l'ampiezza della traccia, lo spessore del layer e il tipo di dielettrico determinano il valore dell'impedenza caratteristica, i cui valori tipici sono 50Ω e 75Ω. Le microstrip sono utilizzate sui layer esterni, mentre su quelli interni si utilizzano le stripline. Le coplanar waveguide (grounded) forniscono invece il migliore grado di isolamento, soprattutto nel caso di segnali RF che attraversano tracce molto vicine.
Figura 1: tracce microstrip, stripline e coplanar waveguide
Il valore dell'impedenza caratteristica (e di riflesso la larghezza della traccia) può essere calcolato utilizzando uno dei numerosi strumenti disponibili online, tenendo presente che occorre conoscere con esattezza il valore della costante dielettrica εR di ogni layer (se ad esempio un layer FR-4 interno ha un εR = 4,2, un layer esterno di laminato pre-preg potrebbe avere un εR = 3,8).
Un approccio comunemente utilizzato dai progettisti è quello di selezionare un valore comune di impedenza (tipicamente, 50Ω), selezionando di conseguenza solo i componenti RF (filtri, antenne, amplificatori) che presentano questa impedenza caratteristica. Il valore 50Ω ha il vantaggio di essere molto diffuso e di semplificare l'adattamento di impedenza, consentendo di assegnare ad ogni traccia del PCB la larghezza corretta.
L'induttanza, d'altro canto, può avere un forte impatto sul progetto di un PCB RF e, pertanto, deve essere mantenuta più bassa possibile. Ciò si ottiene fornendo un adeguato collegamento verso massa ad ogni componente RF, utilizzando fori di via multipli e piani di massa sufficientemente ampi e privi di interruzioni o discontinuità. I piani di massa andrebbero collocati adiacenti ai componenti e alle tracce ad elevata frequenza.
Una prima regola riguarda la curvatura e gli angoli presenti su una traccia: se una linea di trasmissione, per esigenze di routing, richiede un cambio di direzione, è preferibile creare un arco con raggio di curvatura pari ad almeno tre volte l'ampiezza della traccia. Ciò garantisce che l'impedenza caratteristica si mantenga costante lungo tutto il tratto curvilineo. Qualora ciò non fosse possibile, tracciare un angolo, ricordandosi però di evitare gli angoli retti che dovranno essere sostituiti con una coppia di angoli a 45°.
Nel caso in cui una linea di trasmissione debba attraversare più layer, si consiglia di inserire almeno due fori di via per ogni attraversamento al fine di minimizzare la conseguente variazione di induttanza. Una coppia di via è infatti in grado di ridurre del 50% la variazione di induttanza, utilizzando per i fori il più ampio valore di diametro compatibile con la larghezza della traccia. Le tracce che collegano i componenti RF devono essere mantenute più corte possibili, sufficientemente distanziate tra loro e disposte ortogonalmente sui layer adiacenti, soprattutto se questi sono attraversati da segnali sensibili.
Per quanto riguarda lo stackup, la soluzione migliore è il multistrato composto da quattro layer. Anche se il costo è superiore rispetto a una soluzione a doppio strato, i risultati sono nettamente migliori e facilmente ripetibili. Sotto le tracce che conducono segnali RF occorre inserire dei piani di massa continui, in quanto le alte frequenze non supportano le discontinuità dei piani di massa.
Particolare attenzione deve essere posta al fine di evitare pericolosi accoppiamenti tra i segnali. Le linee di trasmissione RF dovrebbero essere mantenute il più possibile separate dalle altre tracce (soprattutto se attraversate da segnali ad alta velocità come HDMI, Ethernet, USB, clock, segnali differenziali, ecc.) e non percorrere lunghi tratti l'una parallela all'altra. L'accoppiamento tra microstrip parallele, infatti, cresce con il diminuire della distanza che le separa e con l'aumentare del tragitto percorso in direzione parallela. In modo del tutto analogo, anche le tracce che portano segnali ad alta potenza dovrebbero essere isolate dalle altre parti del circuito. Un eccellente valore di isolamento può essere ottenuto utilizzando le grounded coplanar waveguide.
Le tracce che portano segnali ad alta velocità dovrebbero essere istradate su layer diversi rispetto ai segnali RF, in modo da evitare fenomeni di accoppiamento. Anche le linee di alimentazione dovrebbero essere istradate su layer dedicati, inserendo degli opportuni condensatori di disaccoppiamento/bypass.
La pratica comune è quella di inserire piani di massa continui (privi di alcuna interruzione) in posizione adiacente rispetto ad ogni layer che contiene componenti o linee di trasmissione RF. Nel caso delle stripline, sono richiesti piani di massa dedicati sia sopra sia sotto il conduttore centrale. I fori di via possono essere aggiunti sulle tracce RF e in prossimità dei componenti RF, riducendo così gli effetti delle induttanze parassite prodotte dai percorsi di ritorno della corrente verso massa. I fori di via aiutano anche a ridurre l'accoppiamento tra le linee RF e altri segnali che attraversano il PCB.
Condensatori di bypass di opportuno valore, sia nella configurazione singola che in quella a stella, dovrebbero essere collocati in prossimità dei pin di alimentazione. Nella configurazione a stella, particolarmente utile per i componenti dotati di pin di alimentazione multipli, un condensatore di disaccoppiamento con capacità maggiore (alcune decine di micro Farad) viene collocato al centro della stella, mentre altri condensatori di capacità inferiore sono collocati in prossimità di ogni ramo. La configurazione a stella evita lunghi percorsi di ritorno verso massa, riducendo le induttanze parassite che potrebbero provocare l'insorgenza di loop di retroazione indesiderati. Particolare attenzione deve essere posta al valore della frequenza di auto-risonanza (SRF) del condensatore, tenendo presente che al di sopra di questo valore il condensatore assume caratteristiche induttive, vanificando l'azione di disaccoppiamento.
La maggior parte dei circuiti integrati richiede un piano di massa continuo sul layer dei componenti (layer superiore o inferiore del PCB) posto direttamente sotto il componente. Questo piano ha lo scopo di portare le correnti di ritorno dei segnali CC e RF verso il piano di massa assegnato. Inoltre, i cosiddetti "ground paddle" (Figura 2) svolgono la funzione secondaria di dissipare il calore in eccesso e dovrebbero pertanto essere provvisti di opportuni fori di via. Questi fori di via dovrebbero essere del tipo passante, in modo tale da attraversare più layer del PCB, essere placcati internamente e riempiti con pasta termicamente conduttiva per amplificare l'effetto di dissipazione.
Figura 2: PCB con area riservata per un ground paddle