اصول طراحی PCB در مدارهای RF (قسمت دوم)

اثبات عملی اهمیت Ground Plane بدون بریدگی (Obstruction)

اکنون به اولین آزمایش عملی می‌رسیم که در آن می‌خواهم نشان دهم وجود یک Ground Plane بدون هیچ‌گونه بریدگی یا مانع، تا چه اندازه اهمیت دارد. به طراحی این برد نگاه کنید.

روی لایه بالایی برد، یک Transmission Line به طول تقریبی ۱۰ سانتی‌متر قرار دارد. اما روی لایه زیرین، در Ground Plane  یک بریدگی (Obstruction) به طول ۲۴ میلی‌متر ایجاد شده است.

در واقع،Transmission Line  را می‌توان معادل یک کابل کواکسیال دانست که به جای کابل، روی خود برد مدار چاپی پیاده‌سازی شده است.

توضیح اصطلاح Transmission Line (خط انتقال):

در فرکانس‌های بالا، مسیرهای مسی دیگر مانند یک سیم معمولی رفتار نمی‌کنند، بلکه مانند یک خط انتقال عمل می‌کنند. در این حالت، ویژگی‌هایی مانند امپدانس مشخصه (Characteristic Impedance)، تأخیر انتشار، بازتاب سیگنال و تطبیق امپدانس اهمیت پیدا می‌کنند. خطوط Microstrip و Stripline که روی PCB طراحی می‌شوند، از متداول‌ترین انواع خطوط انتقال هستند.

برای اندازه‌گیری عملکرد این مسیر از یک Network Analyzer  استفاده می‌کنیم. در این آزمایش از دستگاه NanoVNA استفاده شده است؛ دستگاهی کوچک اما بسیار توانمند که قادر است از ۵۰ کیلوهرتز تا ۴٫۴ گیگاهرتز اندازه‌گیری انجام دهد.

در این آزمایش، بهره (Gain) خط انتقال در کل این بازه فرکانسی اندازه‌گیری می‌شود.

توضیح اصطلاح Network Analyzer (تحلیلگر شبکه):

Network Analyzer  دستگاهی است که رفتار مدارهای RF و مایکروویو را اندازه‌گیری می‌کند. این دستگاه با ارسال سیگنال در فرکانس‌های مختلف و اندازه‌گیری پاسخ مدار، پارامترهایی مانند بهره (Gain)، تلفات (Loss)، بازتاب (Reflection)  و پارامترهای S را تعیین می‌کند. یکی از متداول‌ترین انواع آن، Vector Network Analyzer (VNA) است.

در این آزمایش، میزان تلفات (Loss) خط انتقال را در چند حالت مختلف بررسی می‌کنیم.

حالت‌های مورد آزمایش عبارت‌اند از:

• صفحه زمین کاملاً سالم و بدون بریدگی.
• وجود تنها یک توده لحیم (Solder Blob) دقیقاً در زیر مسیر سیگنال.
• وجود بریدگی ۲۴ میلی‌متری در Ground Plane .

مسیر جریان در این آزمایش

بار دیگر مسیر جریان را مرور کنیم. یک منبع ۵۰ اهم به ورودی خط انتقال متصل شده است و در انتهای مسیر نیز یک بار ۵۰ اهم قرار دارد. Network Analyzer  میزان بهره بین این دو نقطه را اندازه‌گیری می‌کند. جریان سیگنال از پورت اول وارد شده و به سمت پورت دوم حرکت می‌کند. در مقابل، جریان برگشتی از طریق Ground Plane بازمی‌گردد. اما در میانه راه با یک بریدگی مواجه می‌شود و دیگر نمی‌تواند مستقیماً زیر مسیر سیگنال حرکت کند. در نتیجه مجبور است مسیر خود را دور بزند.

حال اگر دقیقاً زیر مسیر سیگنال مقداری لحیم اضافه کنیم، یا کل آن ناحیه را با لحیم پر کنیم، دوباره مسیر ایده‌آل برای جریان برگشتی فراهم می‌شود.

نتایج اندازه‌گیری

اکنون به نمودار نتایج نگاه کنیم.

در محور عمودی (Y)، مقدار بهره (Gain) نمایش داده شده است که از صفر تا حدود -20 دسی‌بل تغییر می‌کند.

در محور افقی (X)، فرکانس از صفر تا ۴٫۴ گیگاهرتز نمایش داده شده است.

تصاویر وسط نمودار نیز وضعیت‌های مختلف Ground Plane را نشان می‌دهند:

• حالت اول: بریدگی ۲۴ میلی‌متری.
• حالت دوم: وجود یک توده لحیم دقیقاً زیر مسیر سیگنال.
• حالت سوم: صفحه زمین کاملاً یکپارچه.

نتایج این اندازه‌گیری واقعاً شگفت‌انگیز هستند.

“دو منحنی مربوط بهGround Plane  کاملاً سالم و وجود تنها یک توده لحیم زیر مسیر سیگنال، تقریباً تا فرکانس ۴٫۴ گیگاهرتز کاملاً بر روی یکدیگر منطبق هستند.”

این نتیجه برای من نیز بسیار جالب بود. انتظار داشتم تفاوت کوچکی مشاهده شود، اما تقریباً هیچ اختلافی دیده نمی‌شود. این موضوع یک نتیجه بسیار مهم را ثابت می‌کند:

“اگر جریان برگشتی قصد داشت از بخش‌های دیگر Ground Plane نیز عبور کند، این دو منحنی هرگز یکسان نمی‌شدند.”

بنابراین این آزمایش نشان می‌دهد که در فرکانس‌های بالا، جریان برگشتی تقریباً دقیقاً در زیر مسیر سیگنال حرکت می‌کند. این موضوع یکی از بنیادی‌ترین اصول طراحی مدارهای RF است.

وقتی Ground Plane بریده می‌شود چه اتفاقی می‌افتد؟

حال به منحنی آبی نگاه کنید؛ همان حالتی که Ground Plane دارای بریدگی ۲۴ میلی‌متری است. در این وضعیت، جریان برگشتی هنگام حرکت روی صفحه زمین به مانع برخورد می‌کند. در نتیجه مجبور می‌شود از اطراف آن عبور کند. از آنجا که بریدگی دقیقاً در وسط مسیر قرار گرفته است، جریان احتمالاً از هر دو طرف مانع عبور می‌کند. در نتیجه یک حلقه جریان تشکیل می‌شود و همان‌طور که قبلاً گفتیم:

هر حلقه جریان دارای اندوکتانس است. این اندوکتانس اضافی همان عاملی است که موجب افزایش تلفات مشاهده‌شده در نمودار می‌شود. البته در عمل موضوع کمی پیچیده‌تر از این است. در واقع این ساختار وارد حالت رزونانس نیز می‌شود. در این نمونه، فرکانس رزونانس تقریباً ۴ گیگاهرتز است.

نویسنده سپس نتیجه بسیار جالبی بیان می‌کند:

در واقع شما ناخواسته یک آنتن ۴ گیگاهرتزی ساخته‌اید. این آنتن هم سیگنال را ارسال می‌کند و هم سیگنال‌های مزاحم را دریافت می‌کند. در نتیجه:

بخشی از انرژی سیگنال شما به صورت تشعشع به محیط منتشر می‌شود و از طرف دیگر، نویزها و تداخل‌های محیط نیز می‌توانند وارد مدار شوند. به همین دلیل، چنین وضعیتی برای یک طراحی RF یک فاجعه واقعی محسوب می‌شود. دقیقاً به همین علت است که نباید هیچ بریدگی یا مانعی در Ground Plane ایجاد شود.

اهمیت این موضوع در مدارهای آنالوگ موضوع جالب دیگری است که وجود دارد. ورودی‌های آنالوگی مانند:

گیرنده FM ، آنتن DAB ، آنتن GPS ، ورودی میکروفون معمولاً دارای دامنه دینامیکی (Dynamic Range) حدود ۱۲۰ دسی‌بل هستند. در برخی سیستم‌ها این مقدار حتی به ۱۳۰ یا ۱۴۰ دسی‌بل نیز می‌رسد. اما چنین دامنه دینامیکی بزرگی به این معناست که مدار قادر است سیگنال‌هایی با اختلافی در حدود ده میلیون برابر را پردازش کند. در نتیجه حتی مقدار بسیار اندکی نویز یا تداخل می‌تواند ضعیف‌ترین بخش این دامنه دینامیکی را از بین ببرد. به همین دلیل، یک Ground Plane سالم و بدون بریدگی، اولین و مؤثرترین خط دفاعی در برابر این مشکلات است.

نویسنده در پایان این بخش، اولین قانون طلایی طراحی PCB را چنین بیان می‌کند:

قانون شماره یک:

“Ground Plane  باید کاملاً پیوسته و بدون هرگونه بریدگی، شکاف یا مانع باشد.”

دقت محاسبات Microstrip و اثر مخرب Floating Copper

موضوع دیگری که مایلم به آن اشاره کنم این است که محاسبات تلفات خطوط Microstrip دقت بسیار بالایی دارند. در تصویر، نرم‌افزار محاسبه تلفات خطوط انتقال متعلق به مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) را مشاهده می‌کنید. در این نرم‌افزار کافی است اطلاعات مربوط به خط انتقال، ابعاد آن و همچنین مشخصات ماده سازنده برد را وارد کنید. پس از انجام محاسبات، نرم‌افزار مقدار تلفات را حدود 1.68 تا 1.69 دسی‌بل پیش‌بینی می‌کند. در حالی که مقدار واقعی که من اندازه‌گیری کرده‌ام  1.67دسی‌بل است.

این میزان تطابق واقعاً مرا شگفت‌زده کرد. نه تنها دقت اینNetwork Analyzer  کوچک فوق‌العاده است، بلکه مدل‌های مورد استفاده برای مشخصات مواد نیز با دقت بسیار زیادی رفتار واقعی را پیش‌بینی می‌کنند. این نتیجه واقعاً عالی است.

توضیح اصطلاح  Microstrip:

Microstrip یکی از رایج‌ترین انواع خطوط انتقال روی PCB است. در این ساختار، مسیر سیگنال روی یک لایه از برد قرار دارد و در لایه زیرین آن یک Ground Plane پیوسته وجود دارد. میدان الکترومغناطیسی سیگنال تا حدی در هوا و تا حدی در دی‌الکتریک PCB منتشر می‌شود. به دلیل سادگی ساخت، Microstrip  پرکاربردترین ساختار در طراحی مدارهای RF  و پرسرعت است.

اثر صفحات مسی شناور (Floating Ground Plane)

قبلاً قول داده بودم دوباره به صفحات مسی شناور کنار خط انتقال برگردم. اکنون به این موضوع می‌پردازیم.

در نمودار نمایش داده شده، تلفات خط انتقال در دو حالت با یکدیگر مقایسه شده‌اند:

• منحنی قرمز: وجود صفحات مسی شناور در کنار خط انتقال
• منحنی آبی: حذف این صفحات شناور

حال سؤال این است که چه اتفاقی در اینجا رخ می‌دهد؟

سیگنال در طول خط انتقال حرکت می‌کند. به دلیل وجود کوپلینگ خازنی (Capacitive Coupling)، بخشی از میدان الکتریکی سیگنال به این صفحات مسی شناور منتقل می‌شود. در نتیجه، این صفحات نیز بخشی از موج RF را دریافت می‌کنند. پس از آن، سیگنال در داخل این صفحات حرکت کرده و در لبه‌های آن‌ها بازتاب می‌شود. به بیان دیگر، انرژی الکترومغناطیسی در این صفحات به صورت رفت و برگشتی حرکت می‌کند. همین رفت‌ و برگشت باعث ایجاد رزونانس‌های ناخواسته می‌شود. نتیجه این پدیده، ایجاد فرورفتگی‌های عمیق Deep Peaks یا Deep Notches در پاسخ فرکانسی است که در نمودار به وضوح دیده می‌شوند.

توضیح اصطلاح Capacitive Coupling (کوپلینگ خازنی):

کوپلینگ خازنی زمانی رخ می‌دهد که میدان الکتریکی یک هادی، بدون تماس مستقیم، به هادی دیگری منتقل شود. در مدارهای RF حتی اگر دو مسیر به یکدیگر متصل نباشند، ممکن است به دلیل ظرفیت خازنی بین آن‌ها، بخشی از انرژی سیگنال از یکی به دیگری منتقل شود. این پدیده یکی از منابع مهم ایجاد نویز و تداخل در PCB است.

در این آزمایش، در فرکانس حدود 3.7 گیگاهرتز تنها به دلیل وجود همین صفحات شناور، تقریباً ۹ دسی‌بل تلفات اضافی ایجاد شده است. این مقدار بسیار قابل توجه است و نشان می‌دهد که وجود چنین صفحات آزادی می‌تواند عملکرد یک مدار RF را به شدت کاهش دهد.

اگر مجبور به استفاده از این صفحات باشیم چه باید کرد؟ اگر در طراحی RF ناچار شدید چنین صفحات مسی‌ای روی برد باقی بمانند، دو راهکار وجود دارد:

• راهکار اول: بهترین کار این است که این صفحات را کاملاً حذف کنید.
• راهکار دوم: اگر حذف آن‌ها ممکن نیست، باید آن‌ها را با تعداد زیادیVia به Ground متصل کنید.

این  Viaها باید با فواصل منظم قرار گیرند. قاعده پیشنهادی چنین است: فاصله بین  Viaها حداکثر برابر یک‌چهارم طول موج باشد و حتی بهتر است این فاصله به یک‌دهم طول موج سیگنال کاری برسد. به این ترتیب، صفحه شناور دیگر نمی‌تواند مانند یک آنتن یا یک رزوناتور عمل کند.

توضیح اصطلاح : Via Stitching

به قرار دادن تعداد زیادی Via در فواصل منظم برای اتصال صفحات مسی به Ground، Via Stitching  گفته می‌شود. این تکنیک باعث کاهش امپدانس صفحه زمین، جلوگیری از تشکیل تشدیدهای ناخواسته، کاهش EMI و بهبود عملکرد مدارهای RF  می‌شود. تقریباً در تمام طراحی‌های حرفه‌ای RF از این روش استفاده می‌شود.

البته اتصال این صفحات به Ground یک پیامد نیز دارد. با این کار، امپدانس خط انتقال تغییر خواهد کرد.

بنابراین پس از اضافه کردن Viaها، لازم است دوباره با استفاده از یک Transmission Line Calculator، ابعاد خط انتقال را محاسبه و اصلاح کنید تا امپدانس مشخصه آن (مثلاً ۵۰ اهم) حفظ شود.

توضیح اصطلاح Characteristic Impedance امپدانس مشخصه:

امپدانس مشخصه یک خط انتقال، نسبت ولتاژ به جریان موج در حال انتشار روی آن است. این پارامتر به ابعاد مسیر، فاصله آن تا Ground Plane و مشخصات دی‌الکتریک PCB بستگی دارد. در اکثر مدارهای RF، مقدار استاندارد امپدانس مشخصه ۵۰ اهم است و هرگونه تغییر در ساختار اطراف خط انتقال می‌تواند این مقدار را تغییر داده و باعث بازتاب سیگنال شود.