高频 PCB 设计原理与应用

智能手机和卫星通信等技术是如何快速、精确地传输数据的？高频印刷电路板 (PCB) 对当今先进的电子系统至关重要。本文将探讨高频印刷电路板的作用，研究其设计原理、材料特性以及在各行各业的不同应用。

什么是高频 PCB

核心提示：高频印刷电路板是一种经过精心设计的印刷电路板，可在传输千兆赫（GHz）范围内的电磁波时将信号损耗降至最低。从智能手机到卫星通信系统，这些电路板是我们日常依赖的许多技术背后的无名英雄。

高频 PCB 的定义

高频电路板设计用于处理振荡频率通常超过 500 MHz 的信号，其频率通常远高于 GHz 范围。这些电路板针对需要高速信号流速和精确阻抗控制的应用进行了优化。在业内，"高频 PCB "和 "高速 PCB "这两个术语经常交替使用，因为在这两种情况下，管理信号完整性的原则非常相似。

高频印刷电路板的特性

是什么让高频印刷电路板有别于标准印刷电路板？答案在于其独特的材料特性和设计考虑因素。这些电路板的特点是

低介电常数 (Dk)：高频印刷电路板使用低介电常数的材料，这有助于最大限度地减少信号延迟，提高整体性能。
低耗散因数 (Df)：低 Df 也称为损耗正切，对于减少信号衰减和在长线路上保持信号完整性至关重要。
可控阻抗：高频 PCB 需要精确控制线路阻抗，以尽量减少反射并保持信号质量。
热管理：这些电路板通常采用先进的热管理技术，以散发高频元件产生的热量。

高频 PCB 的频率范围

虽然确切的频率范围可能因具体应用和所用材料而异，但高频 PCB 的工作频率通常高于 500 MHz。在许多情况下，这些电路板设计用于处理 GHz 范围内的信号，一些先进的应用甚至可将频率提高到 100 GHz 或更高。

与标准多氯联苯的主要区别

高频印刷电路板与标准电路板的主要区别在于在高频下保持信号完整性所需的专用材料和设计考虑因素。标准印刷电路板材料，如普遍使用的 FR-4，由于介电常数和损耗因子较高，可能不适合高频应用。高频印刷电路板需要更细致的材料选择和布局设计方法，以尽量减少信号损耗并保持高速信号的完整性。

高频 PCB 制造材料

选择合适的材料也许是成功设计和制造高频 PCB 的最关键因素。但为什么材料的选择如此重要，工程师在为这些专用电路板选择基板时应考虑哪些特性？

关键材料特性

在评估用于高频 PCB 结构的材料时，有几种关键特性会发挥作用：

介电常数 (Dk)：高频应用通常首选较低的 Dk 值，因为它有助于最大限度地减少信号延迟并提高整体性能。高频印刷电路板通常使用 Dk 值在 2.2 至 4.5 之间的材料。
损耗因子 (Df)：Df 也称为损耗正切，表示介电材料中的能量损耗。较低的 Df 值可将信号衰减降至最低。高性能材料在 GHz 频率下的 Df 值通常低于 0.005。
导热性：由于高频电路通常会产生大量热量，因此导热性能良好的材料有助于有效散热，确保可靠运行。
热膨胀系数 (CTE)：电路板堆叠中不同材料之间的热膨胀系数应仔细匹配，以防止出现机械应力，确保在宽温度范围内的可靠性。
吸湿性：低吸水性至关重要，因为湿气会严重影响材料的 Dk 和 Df，从而可能改变电路板的电气性能。

常见的高频 PCB 材料

有几种材料已成为高频 PCB 结构的热门选择：

罗杰斯公司材料：

RO4003C：10 GHz 时的 Dk 为 3.38，Df 为 0.0027，适用于高达 40 GHz 的应用。
RO4350B：10 GHz 时的 Dk 为 3.48，Df 为 0.0037，具有出色的电气和热稳定性。
RO3003：Dk 为 3.0，10 GHz 时 Df 为 0.0013，具有超低的 Df，是毫米波应用的理想之选。

塔科尼材料公司

RF-35：10 GHz 时的 Dk 为 3.5，Df 为 0.0018，适用于各种射频和微波应用。
TLX：一种基于 PTFE 的材料，Dk 为 2.5，Df 为 0.0019，专为高频、低损耗应用而设计。

Isola 材料：

IS620在 10 千兆赫频率下，Dk 为 4.5，Df 为 0.0080，在电气性能和热性能之间取得了良好的平衡。
Astra MT77：专为 5G 和毫米波应用而设计，10 GHz 时 Dk 为 3.0，Df 为 0.0017。

聚四氟乙烯（铁氟龙）基材料：

由于其优异的电气性能，包括极低的 Dk 值（通常约为 2.2）和 Df 值，因此广泛用于高频应用。

改进型 FR-4：

虽然标准的 FR-4 通常不适合高频应用，但特殊配方的 FR-4 材料可与高频层压板混合使用，为某些应用提供具有成本效益的解决方案。

材料选择过程

为高频印刷电路板选择合适的材料需要仔细考虑具体的应用要求，包括

工作频率：较高的频率通常需要 Dk 和 Df 值较低的材料。
信号完整性要求：要求更高的应用可能需要具有优异电气性能的材料。
环境条件：必须考虑温度范围和湿度暴露等因素。
成本限制：高性能材料通常价格不菲，因此设计人员必须在性能要求和预算限制之间取得平衡。

在材料选择过程中，与 PCB 制造商密切合作至关重要，因为并非所有制造商都有专门的高频材料库存或工作经验。设计人员还应查阅材料数据表，并使用电磁仿真工具来验证所选材料在预期应用中的性能。

高频印刷电路板在各行各业的应用

高频印刷电路板的多功能性和高性能使其被广泛应用于各个行业。但是，这些专用电路板究竟是如何彻底改变各行各业的呢？

电信

电信业或许是高频 PCB 技术进步的最大受益者。一些关键应用包括

蜂窝电信系统：

基站功率放大器
天线馈电网络
信号处理模块

5G 无线基础设施：

高频 PCB 对于实现 5G 网络所承诺的高数据速率和低延迟至关重要。
用于小型基站的毫米波（mmWave）模块
波束成形天线阵列

卫星通信：

转发器和频率转换器
高频放大器和滤波器
地面站设备

E 波段点对点微波链路：

用于电信网络的高带宽无线回程传输

航空航天与国防

航空航天和国防领域的各种关键任务应用都非常依赖高频印刷电路板：

雷达系统：

机载和地面雷达信号处理
用于先进雷达系统的相控阵天线

电子战 (EW) 系统：

信号干扰和反制设备
电子情报（ELINT）和电子支援措施（ESM）系统

导弹制导系统：

精确制导和控制模块
寻的器和目标捕获系统

卫星系统：

通信有效载荷
地球观测和遥感设备

汽车

随着汽车的互联性和自主性不断增强，汽车行业正越来越多地采用高频 PCB：

高级驾驶辅助系统（ADAS）：

用于自适应巡航控制、避免碰撞和盲点检测的汽车雷达系统
用于自动驾驶应用的激光雷达模块

车对物 (V2X) 通信：

用于车对车和车对基础设施通信的高速数据链路

信息娱乐系统：

高带宽多媒体处理和显示系统

医疗

高频印刷电路板在现代医疗器械和诊断设备中发挥着至关重要的作用：

成像设备：

磁共振成像系统：射频线圈接口和信号处理模块
CT 扫描仪：高速数据采集和图像重建电路
超声波机：传感器接口和波束成形电子装置

病人监护系统：

用于实时生命体征监测的高速数据处理系统
用于远程病人监护的无线遥测系统

医疗植入物：

高频信号处理人工耳蜗
用于疼痛治疗和神经系统疾病的神经刺激设备

其他应用

高频印刷电路板的多功能性还延伸到许多其他领域：

测试和测量设备：

高频示波器和频谱分析仪
用于鉴定射频和微波组件的网络分析仪

高性能计算：

用于数据中心的高速背板
高带宽存储器接口的信号完整性解决方案

射频识别（RFID）系统：

高频和超高频 RFID 阅读器和标签

工业自动化：

高速传感器接口和数据采集系统
无线控制和监测网络

为高频 PCB 实施有效的设计策略

设计高频 PCB 是一项独特的挑战，需要仔细考虑并采用专门技术。

元件放置和布局

在高频 PCB 上放置元件对于保持信号完整性和最大限度地减少干扰至关重要。

分组组件：

将信号类型相似的元件放在一起，以尽量减少干扰和简化布线。
将电路板的模拟、数字和射频部分分开，以防止不必要的耦合。

关键部件安置：

将时钟发生器和振荡器放置在靠近各自负载的位置，以尽量减少线路长度。
将旁路电容器尽可能靠近其支持的集成电路的电源引脚。

热考虑因素：

在整个电路板上均匀分布发热元件，以防止出现热点。
考虑使用散热孔和铜平面来改善散热。

跟踪路由

正确的布线对于保持高频 PCB 的信号完整性至关重要：

受控阻抗：

设计具有特定宽度和间距的导线，以实现所需的特性阻抗（通常为 50 或 100 欧姆）。
根据设计要求使用微带或带状线配置。

最小化轨迹长度

尽可能缩短高频信号线，以减少信号损耗和传播延迟。
使用组件之间最直接的路径，避免不必要的弯路或绕路。

避免急弯：

使用 45 度或弧形弯管，而不是 90 度弯管，以尽量减少阻抗不连续性。
保持最小弯曲半径，至少为跟踪宽度的三倍。

差分对路由：

保持差分对紧密耦合并保持等长，以确保信号的正常传播。
使用对称布线技术保持相位平衡。

接地和屏蔽

有效的接地和屏蔽对于最大限度地减少电磁干扰和保持信号完整性至关重要：

地面平面：

使用坚实、连续的接地平面，为信号提供低阻抗返回路径。
避免将接地平面与信号分开，因为这会造成不必要的回波路径不连续。

地面分隔：

考虑为模拟、数字和射频部分使用独立的接地平面，但将它们连接在一个点上，以避免接地环路。
对敏感的模拟电路使用星形接地技术。

屏蔽

对敏感元件或高辐射元件进行局部屏蔽，以尽量减少电磁干扰。
考虑在电路板的高频部分使用屏蔽通孔或栅栏通孔。

通过使用

在高频 PCB 布局中，正确的通孔设计和放置至关重要：

尽量减少通孔：

减少高频信号通路中的过孔数量，因为过孔会带来阻抗不连续，增加信号损耗。
需要过孔时，应并联使用多个较小的过孔，以减少电感。

通过缝合：

在接地平面边缘和高频元件附近使用通孔缝合线，以改善屏蔽和减少 EMI。
在相邻的高频线路之间安装接地通孔栅栏，以尽量减少串扰。

堆叠设计

印刷电路板的叠层对高频性能起着至关重要的作用：

层数安排：

仔细规划层叠，以提供足够的屏蔽，最大限度地减少串扰，并实现所需的阻抗控制。
考虑使用埋孔和盲孔优化信号路由，减少层过渡。

参考平面：

使用专用电源平面和接地平面作为高频信号的参考平面。
保持参考平面相互靠近，以尽量减少环路面积并降低 EMI。

热管理

有效的热管理对于确保高频 PCB 的可靠运行至关重要：

热导管

使用热导孔阵列将热量从元件传导到内部接地平面或电路板的另一侧。

撒铜：

增加发热元件周围的铜面积，以改善散热。
考虑在电源和地平面上使用更厚的铜砝码，以提高散热性能。

主动冷却：

对于大功率应用，可考虑集成散热片或强制空气冷却解决方案。

电源完整性

保持电源完整性对于高频电路的正常运行至关重要：

去耦电容器

在靠近高频元件电源引脚的地方放置去耦电容器，以提供本地电荷源，最大限度地降低电源噪声。
结合使用高频去耦电容器和散装去耦电容器，以解决各种噪声频率问题。

配电网络 (PDN) 设计：

设计低阻抗 PDN，确保向所有元件稳定供电。
使用电源平面和宽线路进行电源分配，以尽量减少压降和电感。

模拟与验证

利用仿真工具对优化高频 PCB 设计至关重要：

电磁场求解器

使用电磁场求解器模拟印刷电路板布局的性能，并在制造前找出潜在的信号完整性问题。
分析 PCB 结构中的串扰、辐射和共振等因素。

信号完整性分析：

进行时域和频域模拟，以验证信号质量和时序。
使用眼图分析评估高速接口的整体信号完整性。

阻抗计算

使用场求解器或阻抗计算器验证关键线路的阻抗。
确保在整个信号路径（包括层间转换）中保持阻抗控制。