برد مدار چاپی فرکانس بالا چیست و روش طراحی آن چگونه است؟   

برد مدار چاپی فرکانس بالا برد الکترونیکی با فرکانس بالای 1 گیگا هرتز است که در دستگاه های الکترونیکی مخصوصاً در شبکه های بی سیم و ماهواره ها کاربرد دارد. با توجه به پیشرفتی که شبکه های ارتباطی بی سیم، شبکه های ارتباطی ماهواره ای و همچنین ایستگاه های گیرنده سیار و … دارند، تولید و دسترسی به ابزار و قطعات جدید نیز الزامی است. PCB فرکانس بالا نیز از جمله قطعاتی است که باید همیشه به روز باشد. در این مقاله سعی کرده ایم تا جامع ترین اطلاعات را درباره بردهای مدار چاپی فرکانس بالا در اختیار علاقمندان به رشته برق و الکترونیک قرار دهیم.

برد مدار چاپی فرکانس بالا High-Frequency PCB

بردهای با فرکانس بالا (High-Frequency PCB) با جلوگیری از تلفات امواج الکترومغناطیسی موجب می شوند که جریان سیگنال سریع تر منتقل شود.

برد مدار چاپی فرکانس بالا چه ویژگی هایی دارد؟

– ثابت دی الکتریک (DK) پایین: ثابت دی الکتریک PCB فرکانس بالا باید به اندازه کافی پایدار و پایین باشد تا انتقال فرکانس به خوبی و با کم ترین تأخیر در سیگنال انجام شود. اگر ثابت دی الکتریک قطعه زیاد باشد، می تواند در انتقال سیگنال ها تأخیر ایجاد کند.

– ضریب اتلاف (DF) کم: ضریب اتلاف برد مدار چاپی با فرکانس بالا باید بین 0.0019 تا 0.025 باشد. اگر نوع جریان سیگنال آسیب بیشتری ببیند و ضریب اتلاف کوچک تر باشد، می تواند در  سیگنال کسری ایجاد کند.

– میزان جذب رطوبت کم: جذب رطوبت بردهای فرکانس بالا باید کم باشد. در صورتی که جذب آب قطعه زیاد باشد و در محیط مرطوب قرار بگیرد، ثابت دی الکتریک و ضریب اتلاف آن تحت تأثیر قرار می گیرند. این ویژگی استفاده از برد HF را در موقعیت هایی که محیط مرطوبی دارند، امکانپذیر کرده است.

– ابعاد و اندازه پایدار: برد مدار چاپی فرکانس بالا اندازه خود را به خوبی حفظ می کنند و در شرایط مختلف محیطی تغییری در سایز آن ها ایجاد نخواهد شد. این یکی از مزایای این بردها به شمار می رود و می توان از آن ها در محیط های مختلف استفاده کرد.

– مقاومت شیمیایی بالا: اگر برد فرکانس بالا مقاومت شیمیایی بالایی داشته باشد، در صورتی که در برابر مواد شیمیایی قرار گیرد، دچار خوردگی و آسیب نخواهد شد. همین موضوع سبب شده است تا PCB فرکانس بالا برای استفاده در محیط هایی که در معرض مواد شیمیایی قرار دارند، مناسب هستند.

– انبساط حرارتی متناسب با فویل مسی: انبساط حرارتی برد مدار چاپی با فرکانس بالا باید تقریباً با فویل مسی یکسان باشد؛ زیرا اختلاف دما باعث جدا شدن فویل مسی در تغییرات دمایی خواهد شد.

لمینت های مورد استفاده در بردهای High-Frequency و مقایسه آن ها

سه بستر مختلف برای تولید بردهای مدار چاپی HF کاربرد دارند:

بستر PTFE یا همان تفلون برای PCB هایی که کارایی بالایی دارند و فرکانس آن ها معمولاً بیش تر از 5 گیگا هرتز است، استفاده می شود.

مواد FR4 و PPO نیز برای فرکانس هایی بین 1 تا 10 گیگا هرتز کاربرد دارد و در ساخت بردهایی با این ویژگی استفاده خواهد شد.

قیمت لمینت های FR4 از دو نوع دیگر ارزان تر و تفلون نیز گران ترین نوع لمینت در ساخت بردهای HF می باشد.

تفلون برای مواردی کاربرد دارد که چگالی سیال، ضریب اتلاف، ثابت دی الکتریک و تابع فرکانس اهمیت داشته باشد. در صورتی که فرکانسی بالاتر از 10 گیگا هرتز مورد نیاز باشد، باید از بستر PTFE استفاده شود. تفلون نسبت به دو نوع دیگر لمینت عملکرد بهتر و بازدهی بیشتری دارد. همچنین می توان گفت اتلاف حرارت تفلون بالاتر است. برای آنکه استحکام تفلون و عملکرد حفاظت از گرما بهتر شود، از فیبر شیشه ای یا دی اکسید سیلیکون به عنوان پر کننده استفاده می شود.

یکی دیگر از ویژگی هایی که درباره تفلون اهمیت دارد، بی اثر بودن آن است که به راحتی با فویل مس مخلوط نمی شود؛ بنابراین، در محل اتصالات باید با روشی این اتصالات را برقرار کرد. استفاده از اچ شیمیایی روی PTFE یا اچ پلاسما برای افزایش میزان لایه چسب بین مس و تفلون کاربرد دارد؛ اما ممکن است استفاده از این روش ها بر عملکرد دی الکتریک قطعه تأثیرگذار باشد.

حتما بخوانید: تعمیر بردهای الکترونیکی (PCB)

نکات مهم روش طراحی PCB فرکانس بالا

به منظور طراحی برد مدار چاپی فرکانس بالا باید قدم به قدم نکات زیر را رعایت و اجرا کنید:

1- تعیین فرکانس سیگنال PCB

باید نسبت به برقراری جریان ولتاژ و توان مورد نیاز اطمینان حاصل نمایید. برنامه های قدرت را تقسیم کنید و ببینید سیگنال ها با قدرت های مختلف می توانند در این برد قرار گیرند یا خیر.

در انتهای این مرحله نسبت به سطح مقاومت و نحوه کاهش سطح نویز در آن نیز تست های لازم را انجام دهید.

2- تعیین طرح استک آپ برد

در دومین اقدام باید طرح اولیه، مواد پایه سازنده، نیازها و محدودیت های لایه استک آپ برد مدار چاپی فرکانس بالا برنامه ریزی و مشخص شوند.

3- تقسیم بندی کف برد مدار چاپی فرکانس بالا

کف برد باید برای بخش های مختلف برنامه ریزی و تقسیم شود. رعایت ایزوله برای جلوگیری از تداخل بین بخش های مختلف آنالوگ و دیجیتال یک امر ضروری و حیاتی است.

4- بررسی قدرت و سطح برد

پس از بخش بندی ها و طرح ریزی PCB باید شرایط سطح برد را بررسی نمایید. باید این اطمینان را به دست آورید که برای بهبود مسیر بازگشت، مقاومت با ردیابی سیگنال برنامه ر یزی شده است.

5- تقسیم بندی الگوهای سطح برد

بردهای مدار چاپی فرکانس بالا معمولاً پدها یا لمینت های کوچکی هستند که در به حداقل رساندن ظرفیت نویزها و افزایش استحکام مکانیکی برد نقش مهمی دارد.

6- مسیریابی سیگنال های فرکانس برد HF

اگر تشعشعات سیگنال های فرکانس بالا با یکدیگر تداخل داشته باشند، در عملکرد آن ها مشکل به وجود خواهد آمد. در مرحله ششم طراحی PCB های فرکانس بالا باید مسیریابی صحیح و درستی داشته باشید تا تداخلی بین سیگنال ها به وجود نیاید.

7- استفاده از قانون 3W

در صورتی که از قانون 3W استفاده نمایید، یکپارچگی سیگنال تضمین خواهد شد. در واقع این قانون اثر جفت شدگی سیگنال ها و ایجاد نویز را به حدأقل می رساند.

8- رعایت قانون 20H در طراحی برد

از دستورالعمل های چیدمان PCB استفاده کنید تا نسبت به فاصله بین صفحات قدرت مجاور و سطح برد از صفحه قدرت اطمینان پیدا کنید.

کاربردهای برد مدار چاپی فرکانس بالا

انواع برد الکترونیکی وجود دارند که هر کدام کاربردهای مختلفی دارند، یک نوع آن بردهای مدار چاپی فرکانس بالا هستند. استفاده از بردهای مدار چاپی با فرکانس بالا روز به روز در حال افزایش است. این PCB ها برای ساخت و تولید مهمات و سلاح های گرم در تجهیزات نظامی، تجهیزات تشخیصی و بررسی علائم حیاتی تجهیزات پزشکی، سیستم های ردیابی هواپیماها و هدایت آن ها در جهت جلوگیری از حوادث و همچنین سیستم های ارسال و دریافت سیگنال ها در سیستم های ارتباطی از جمله در تقویت کننده ها و گیرنده ها کاربرد دارند.

جمع بندی

برد مدار چاپی فرکانس بالا برای تولید PCB های الکترونیکی ضروری می باشند. ویژگی های بسیار قوی بردهای HF سبب شده تا آن ها به یکی از قطعات مناسب برای تولید لوازم الکترونیکی مهم با کاربردهای متفاوت مناسب باشند. در مواردی که به انتقال سیگنال های سریع تر نیاز باشد، استفاده از این نوع بردها بسیار اهمیت بیشتری می یابد. در این مقاله سعی کردیم تا مطالب مهم و جامع مربوط به روش ساخت و کاربردهای مختلف این PCB ها را مطرح کنیم.