Você enfrenta uma pressão crescente para acompanhar as novas necessidades de comunicação sem fio. PCBs de alta frequência estão crescendo mais rápido do que PCBs regulares devido ao aumento das redes 5G e novas aplicações de IoT. Esses projetos de alta frequência usam laminados PTFE e Rogers em vez de placas FR4 padrão. Esses materiais reduzem a perda de sinal em até 40% e melhoram a transmissão de dados. A LT CIRCUIT é um parceiro confiável que oferece soluções de fabricação avançadas que ajudam a manter sinais fortes e confiáveis. Eles também garantem que você permaneça em conformidade neste campo de comunicações sem fio em rápida evolução.
Principais Conclusões
# Escolha materiais especiais como laminados PTFE ou Rogers. Estes ajudam a reduzir a perda de sinal e a melhorar o funcionamento sem fio.
# Controle a impedância combinando a largura e o espaçamento das trilhas. Isso mantém os sinais fortes e ajuda a evitar erros.
# Use métodos de fabricação exatos, como gravação avançada e perfuração cuidadosa. Isso ajuda a criar PCBs de alta frequência que funcionam bem.
# Siga um rigoroso controle de qualidade e testes, como padrões EMC e FCC. Isso garante que seu dispositivo funcione corretamente e siga as regras.
# Lide com o calor e a perda de sinal com bons projetos térmicos e materiais de baixa perda. Isso mantém seu PCB estável e ajuda a durar mais tempo.
Materiais
Substratos
Escolher o substrato certo ajuda seu PCB a funcionar bem em comunicações sem fio. Cada material tem seus próprios benefícios para projetos de alta frequência. A tabela abaixo lista os materiais de substrato comuns e o que os torna especiais:
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Material do Substrato
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Características e Aplicações Principais
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PTFE (Politetrafluoroetileno)
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Excelentes propriedades dielétricas, baixa perda de sinal e estabilidade térmica. Usado em 5G, radar, aeroespacial e automotivo.
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Preenchido com cerâmica
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Gerenciamento térmico aprimorado e operação de alta frequência. Usado em aeroespacial, defesa e dispositivos médicos.
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Resina de hidrocarboneto
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Custo-efetivo, bom desempenho elétrico. Usado em antenas, amplificadores de potência e sistemas RFID.
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Reforçado com fibra de vidro (FR-4)
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Resistência mecânica, uso de frequência moderada. Usado em sistemas de telecomunicações e automotivos.
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Compósitos avançados (poliimida)
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Flexibilidade e resistência ao calor. Usado em eletrônicos vestíveis e flexíveis.
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Observação: Em 2024, a região da Ásia-Pacífico é o principal mercado para substratos de PCB de alta frequência, com mais de 48% do mercado.
Propriedades Dielétricas
As propriedades dielétricas são muito importantes para o envio de sinais, especialmente acima de 10 GHz. Você deseja materiais com baixas constantes dielétricas (Dk) e baixos fatores de dissipação (Df). Estes ajudam a manter os sinais fortes e reduzir a perda. Os materiais Rogers têm valores Dk de 3,38 a 3,55 e Df tão baixo quanto 0,002. Os materiais Isola têm um Dk e Df um pouco mais altos, então há um pouco mais de perda de sinal, mas são mais fáceis de fabricar. Os substratos à base de Teflon têm o Dk e Df mais baixos, por isso são os melhores para usos de frequência muito alta.
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Atributo do Material
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Série Rogers 4000
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Materiais PCB Isola FR408
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Constante Dielétrica (Dk)
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3,38 – 3,55
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3,65 – 3,69
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Fator de Dissipação (Df)
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0,002 – 0,004
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0,0094 – 0,0127
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Especialistas dizem que você deve usar materiais com um Df abaixo de 0,005 a 10 GHz. Isso mantém a perda de sinal e o calor baixos, o que é muito importante para as comunicações sem fio.
Gerenciamento Térmico
Os PCBs de alta frequência ficam mais quentes do que os regulares. Você deve controlar esse calor para manter sua placa funcionando bem. PCBs com núcleo de metal, como aqueles com alumínio ou cobre, removem o calor rapidamente. Eles têm condutividades térmicas de 5 a 400 W/mK. Isso é muito melhor do que o FR4, que só chega a 0,4 W/mK. O uso de PCBs com núcleo de metal ajuda a resfriar sua placa rapidamente. Isso é importante para coisas como roteadores sem fio, estações base e satélites.
Padrões IPC-2221 ajudam você a escolher materiais com baixa constante dielétrica, alta condutividade térmica, baixa absorção de umidade e forte resistência mecânica. Se você seguir esses padrões, seu PCB funcionará bem para comunicações sem fio de alta frequência.
Design
Controle de Impedância
Ter a impedância correta é muito importante para as comunicações sem fio de alta frequência. Você precisa garantir que as trilhas do PCB correspondam à impedância padrão do sistema, que geralmente é 50 Ohms. Isso ajuda a parar reflexos de sinal e perda de potência. Se a impedância não corresponder, os sinais podem retornar. Isso causa ressonância e erros de dados. Esses problemas pioram quando a frequência aumenta. Você pode interromper esses problemas usando trilhas de impedância controlada. Certifique-se de que a fonte, o receptor e as trilhas tenham a mesma impedância.
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Tolerância de Impedância
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Área de Aplicação
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Faixa Típica / Notas
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±1% a ±2%
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PCB RF e sem fio de alta frequência
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Usado em 5G, comunicações por satélite, dispositivos médicos
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±5% a ±10%
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Sistemas digitais e analógicos padrão
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Ethernet, PCIe, USB
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±10%
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Circuitos de baixa velocidade ou não críticos
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PCBs digitais básicos
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As regras da indústria dizem que você deve manter a tolerância de impedância entre ±1% e ±2% para trilhas de PCB sem fio de alta frequência. Esse controle próximo mantém os sinais fortes e os sistemas funcionando bem.
Se a impedância não corresponder nas trilhas de PCB de alta frequência, os sinais retornam e ficam mais fracos. Isso prejudica a qualidade do sinal. Peças e trilhas são feitas para uma certa impedância para evitar que isso aconteça. Quando a frequência aumenta, a perda de inserção piora muito se a impedância não for correspondida. Combinar bem a impedância mantém os reflexos e a perda de potência baixos. Isso ajuda a manter os sinais claros nas comunicações sem fio.
Integridade do Sinal
Integridade do sinal significa manter os sinais fortes e claros à medida que se movem pelo PCB. Sinais de alta frequência podem ter problemas como diafonia, atraso de transmissão e erros de temporização do relógio. A diafonia acontece quando os sinais em trilhas próximas interferem uns com os outros. Você pode diminuir a diafonia separando as trilhas. O uso de sinalização diferencial e trilhas de proteção também ajuda.
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Espaçamento da Trilha (mil)
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Nível Típico de Diafonia
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Acoplamento Capacitivo
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Acoplamento Indutivo
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3
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Alto
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Grave
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Moderado
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5
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Moderado
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Alto
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Baixo
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10
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Baixo
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Moderado
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Mínimo
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20
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Mínimo
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Baixo
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Mínimo
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Dica: Faça o espaçamento da trilha pelo menos três vezes a largura da trilha para diminuir a diafonia e a interferência.
O atraso de transmissão pode causar erros de temporização e ruído. Se as trilhas não tiverem o mesmo comprimento, os sinais chegam em momentos diferentes. Isso atrapalha o temporização do relógio. Você pode corrigir isso combinando os comprimentos das trilhas com padrões serpentinos. Tente usar o menor número possível de vias. Coloque vias de transição próximas às vias de sinal quando os sinais mudam de planos de referência. Use ferramentas de simulação para encontrar e corrigir problemas de integridade do sinal antes de fazer a placa.
EMI/EMC
Interferência eletromagnética (EMI) e compatibilidade eletromagnética (EMC) são grandes problemas em comunicações sem fio. A EMI pode gerar ruído e causar perda de sinal. A EMC garante que seu PCB não interfira em outros dispositivos. Você pode diminuir a EMI e manter a EMC seguindo estas dicas de layout:
1. Coloque peças semelhantes (analógicas e digitais) em grupos separados para diminuir a diafonia.
2. Coloque capacitores de desacoplamento próximos aos pinos de alimentação para bloquear ruído de alta frequência.
3. Mantenha as trilhas de sinal curtas e retas para que não atuem como antenas.
4. Mantenha a impedância controlada para sinais importantes.
5. Não use cantos agudos; use ângulos ou curvas de 45 graus.
6. Use pares diferenciais para sinais rápidos.
7. Coloque planos de aterramento sólidos sob as camadas de sinal.
8. Não divida os planos de aterramento para interromper os loops de EMI.
9. Coloque vias de aterramento próximas aos pinos das peças.
10. Cubra áreas sensíveis com blindagens de metal ou vazamentos de cobre aterrados.
11. Torne as áreas de loop nos caminhos de alimentação e sinal as menores possíveis.
Observação: Mantenha as seções de RF e digitais separadas no PCB para ajudar no isolamento e diminuir a EMI. Use empilhamentos multicamadas para fornecer caminhos de retorno de baixa impedância e diminuir as emissões eletromagnéticas.
Integração de Antena
A integração da antena é uma parte muito importante do projeto de PCB sem fio de alta frequência. A forma, o tamanho e o layout da antena alteram o quão bem seu dispositivo envia e recebe sinais. Você precisa pensar nessas coisas:
l Geometria da Antena: A forma e o tamanho da antena definem como ela envia e recebe sinais.
l Plano de Aterramento: Um plano de aterramento sólido e bem conectado diminui as perdas de radiação e fornece uma referência estável.
l Correspondência de Impedância: Combine a impedância da antena com o circuito para interromper os reflexos e perdas de sinal. Use redes de correspondência ou ajuste de stub.
l Banda de Frequência: A frequência de trabalho define o tamanho da antena. Use equações de projeto e ferramentas de simulação para fazê-la funcionar melhor.
l Tipos de Antena: As antenas PCB comuns são antenas monopolo, patch, dipolo e loop. Cada um é diferente.
l Teste de Desempenho: Verifique o desempenho da antena com medições de parâmetros S, testes de padrão de radiação e testes de correspondência de impedância.
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