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Funkkommunikation

HF-Layout der Leiterplatte optimieren

27. März 2017, 13:14 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Layout-Tipps für die Masse-Anbindung

Gute Masseverbindungen sind entscheidend. Hier gibt es eine Reihe praktischer Empfehlungen. Leiterbahnen in der Nähe der Masseanschlüsse von Kondensatoren sollten dicker ausgelegt werden, um den Erdungseffekt der Thermobänder (Thermal Straps; für die Kühlung) zu verbessern. Zudem lässt sich damit die parasitäre Serieninduktivität zwischen der Massefläche (ungenutzte Fläche einer Leiterplatte, die mit geerdetem Kupfer aufgefüllt ist) und den Masseanschlüssen minimieren. Zusätzliche Vias, die sich in der Nähe der Masseanschlüsse des Kondensators befinden und mit der Unterseite oder inneren Masse-Ebene verbunden sind, verringern diese Effekte zusätzlich.

Die freiliegende Pad-Fläche für die Unterseite des HF-ICs sollte mit mehreren Vias versehen sein, um das IC gut zu erden und zu entwärmen. Im Layout in Bild 2 finden sich 25 solcher Durchkontaktierungen für ein 7 mm x 7 mm großes IC-Gehäuse. Jedes Via weist einen Durchmesser von 0,25 mm auf. Wenn möglich, sollten diese Masseanschlüsse mit der oberen Masse-Ebene verbunden sein, um die HF-Erdung weiter zu verbessern. Diagonale Leiterbahnverbindungen über die Ränder der IC-Fläche ermöglichen dies. Signale, vor allem Harmonische mit höheren Frequenzen, können manchmal zwischen den Masseverbindungen in der Nähe befindlicher Filterkondensatoren gekoppelt werden. Solche Probleme lassen sich vermeiden, indem diese Kondensatoren an die Masse auf gegenüberliegenden Seiten der Übertragungsleitung angeschlossen werden.

Im Bereich des Anpassungsnetzwerks sollte ein Abstand von mindestens 0,5 mm zwischen Leiterbahnen oder Pads und der angrenzenden Massefläche eingehalten werden. Dies minimiert parasitäre Kapazitäten und verringert Verstimmungen. Bei einer vierlagigen Leiterplatte sollte als erste Lage unter den HF-Leitungen des ICs und des Anpassungsnetzwerks eine durchgehende auf Massepotenzial liegende Kupferfläche sein. Damit steht ein guter Signalpfad mit niedriger Impedanz zur Masse des HF-ICs zur Verfügung, ohne dass eine Verdrahtung in diesem Bereich stattfinden muss. Jegliche Kopplungseffekte mit dem Anpassungsnetzwerk werden vermieden. Es ist auch ratsam, den Masserückführpfad zwischen den Masse-Vias des Tx/Rx-Anpassungsnetzwerks und den Masse-Vias der HF-IC-Unterseite unter keinen Umständen zu blockieren. Den Rückströmen sollte ein widerstandsarmer und störungsfreier Pfad durch die Masse-Ebene zurück zum HF-IC zur Verfügung stehen.

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Im HF-Teil selbst sollten Verbindungen zu entfernten HF-Komponenten wie der integrierten Antenne oder dem Antennenanschluss mit geerdeten koplanaren 50-Ω-Übertragungsleitungen erfolgen. Dies verringert die Empfindlichkeit gegenüber Signalveränderungen, die durch die Leiterplatte verursacht werden. Auch unerwünschte Strahlung und Kopplungseffekte sinken. Die Strahlung lässt sich mithilfe mehrerer Masse-Vias in der Nähe der Kopplerleitungen noch weiter verringern. Die Verteilung der Übertragungsleitungen ist in Bild 3 ersichtlich.

Gängige Praxis ist, dass zumindest eine große durchgehende Masseflächen rund um die Fläche des HF-Bereichs einer Leiterplatte vorhanden ist. Die Leistungsfähigkeit lässt sich steigern, wenn diese Technik auf die gesamte Leiterplatte angewendet wird. Um eine gute HF-Masse zu erhalten, sollten die HF-Spannungspotenziale über die gesamte Masse-Ebene gleich sein. Dies hilft bei der ordnungsgemäßen V_DD-Filterung und stellt eine gute Masse-Ebene für Monopol-Antennen bereit. Lücken sollten mit Masseflächen aufgefüllt werden, und die resultierenden Abschnitte auf der oberen und unteren Leiterplattenlage sollten mit so vielen Vias wie möglich verbunden werden.

Um die Strahlung von Harmonischen zu verringern, die durch Streufelder entsteht, sollten mehrere Masse-Vias an den Rändern jeder Massefläche vorhanden sein – vor allem am Rand der Leiterplatte und entlang der Versorgungsleitungen (Bild 3). Bei einem Leiterplattendesign mit mehr als zwei Lagen sollten sämtliche Leiterbahnen in eine der inneren Lagen verlegt werden, vor allem die Versorgungsleitungen. Die gesamte obere als auch untere Lage sollte soviel durchgehende Masseflächen wie möglich enthalten, um jegliche Strahlung von diesen Leiterbahnen zu verringern. Es wird auch empfohlen, dass Versorgungsleitungen nicht am Rand der Leiterplatte verlaufen.