आरएफ सर्किट बोर्ड क्या है? कार्यक्षमता, डिज़ाइन और अनुप्रयोग

रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) सर्किट बोर्डों को अक्सर आरएफ पीसीबी कहा जाता है वायरलेस संचार को संचालित करने वाले अदृश्य इंजन हैं। आपके स्मार्टफोन में 5 जी मॉडेम से लेकर एक सेल्फ ड्राइविंग कार में रडार तक,आरएफ पीसीबी न्यूनतम हानि के साथ उच्च आवृत्ति संकेत (300kHz से 300GHz) प्रसारित और प्राप्त करते हैंमानक पीसीबी के विपरीत (जो कम गति वाले डिजिटल/एनालॉग संकेतों को संभालते हैं), आरएफ बोर्डों के लिए विशेष सामग्री, डिजाइन तकनीकों,और विनिर्माण प्रक्रियाओं के लिए संकेत अखंडता को बनाए रखने के लिए आवृत्तियों में जहां यहां तक कि छोटे दोष प्रदर्शन को अपंग कर सकते हैं.

यह मार्गदर्शिका आरएफ सर्किट बोर्डों को स्पष्ट करती हैः वे क्या हैं, वे कैसे काम करते हैं, वे सामग्री जो उन्हें अद्वितीय बनाती हैं, और आधुनिक प्रौद्योगिकी में उनकी महत्वपूर्ण भूमिका।चाहे आप एक वाईफाई 7 राउटर या एक उपग्रह संचार प्रणाली डिजाइन कर रहे हैं, आरएफ पीसीबी कार्यक्षमता और सर्वोत्तम प्रथाओं को समझने से आपको विश्वसनीय, उच्च प्रदर्शन वाले वायरलेस डिवाइस बनाने में मदद मिलेगी।

महत्वपूर्ण बातें
1आरएफ सर्किट बोर्ड उच्च आवृत्ति संकेतों (300kHz~300GHz) के लिए डिज़ाइन किए गए विशेष पीसीबी हैं, जिनकी मुख्य कार्यक्षमता कम संकेत हानि, नियंत्रित प्रतिबाधा,और ईएमआई (इलेक्ट्रोमैग्नेटिक हस्तक्षेप) दमन.
2मानक एफआर4 पीसीबी के विपरीत, आरएफ बोर्ड कम हानि वाले सब्सट्रेट (जैसे, रोजर्स आरओ4350; पीटीएफई) का उपयोग करते हैं, जिनकी डाईलेक्ट्रिक स्थिरांक (डीके) 2.1 है।5G/mmWave आवृत्तियों (28GHz+) पर सिग्नल मंदता को कम करने के लिए महत्वपूर्ण.
3आरएफ पीसीबी डिजाइन के लिए सख्त प्रतिबाधा नियंत्रण की आवश्यकता होती है (आमतौर पर एकल-अंत संकेतों के लिए 50Ω, अंतर जोड़े के लिए 100Ω), अनुकूलित ग्राउंडिंग (जैसे, ग्राउंड प्लेन, वायस),और हस्तक्षेप को कम करने के लिए परिरक्षण.
4प्रमुख अनुप्रयोगों में 5G/6G नेटवर्क, ऑटोमोटिव रडार (77GHz), उपग्रह संचार और चिकित्सा इमेजिंग उद्योग शामिल हैं जहां सिग्नल अखंडता सीधे प्रदर्शन और सुरक्षा को प्रभावित करती है।
5आरएफ पीसीबी की कीमत मानक पीसीबी की तुलना में 3×10 गुना अधिक है, लेकिन उनका विशेष डिजाइन उच्च आवृत्तियों पर सिग्नल हानि को 40×60% तक कम करता है, जो वायरलेस-क्रिटिकल उपकरणों के लिए निवेश को उचित बनाता है।

आरएफ सर्किट बोर्ड क्या है? परिभाषा और मुख्य अंतर
आरएफ सर्किट बोर्ड एक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड है जिसे रेडियो फ्रीक्वेंसी सिग्नल को उनकी गुणवत्ता में गिरावट के बिना प्रसारित, प्राप्त या संसाधित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। जबकि मानक पीसीबी कम गति वाले संकेतों (जैसे., लैपटॉप में 1GHz डिजिटल डेटा), आरएफ बोर्डों को उच्च आवृत्ति संचार की अनूठी चुनौतियों को संभालने के लिए बनाया गया हैः

आरएफ पीसीबी मानक पीसीबी से कैसे भिन्न होते हैं
सबसे बड़ा अंतर यह है कि वे सिग्नल व्यवहार को कैसे संभालते हैं। 1GHz से ऊपर की आवृत्तियों पर, सिग्नल तरंगों की तरह कार्य करते हैं, वे निशान किनारों से परिलक्षित होते हैं, खराब इन्सुलेशन के माध्यम से लीक होते हैं और हस्तक्षेप उठाते हैं.आरएफ पीसीबी को इन समस्याओं का मुकाबला करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जबकि मानक पीसीबी अक्सर उन्हें बढ़ाता है।

उदाहरण: एक मानक FR4 पीसीबी 28GHz (5G मिमीवेव) पर प्रति इंच सिग्नल की ताकत के 3dB खो देता है, जिसका अर्थ है कि केवल एक इंच के बाद आधा संकेत चला गया है। रोजर्स RO4350 का उपयोग करने वाला एक आरएफ पीसीबी केवल 0 खो देता है।एक ही आवृत्ति पर 8dB प्रति इंच, एक ही दूरी पर संकेत का 83% संरक्षित करता है।

आरएफ सर्किट बोर्ड के मुख्य घटक
आरएफ पीसीबी में उच्च आवृत्ति संकेतों को प्रबंधित करने के लिए विशेष घटक एकीकृत होते हैं, जिनमें से कई मानक पीसीबी में नहीं पाए जाते हैंः
1आरएफ ट्रांससीवर: चिप जो डिजिटल डेटा और आरएफ संकेतों के बीच परिवर्तित करती हैं (उदाहरण के लिए, क्वालकॉम स्नैपड्रैगन X75 5G मॉडेम) ।
2.एंटेना: मुद्रित या असतत एंटेना (उदाहरण के लिए, 5जी के लिए पैच एंटेना) जो सिग्नल प्रसारित/प्राप्त करते हैं।
3फ़िल्टरः बैंड-पास/बैंड-स्टॉप फ़िल्टर (जैसे, SAW, BAW फ़िल्टर) जो अवांछित आवृत्तियों को अवरुद्ध करते हैं (जैसे, 28GHz 5G से 24GHz WiFi को फ़िल्टर करना) ।
4एम्पलीफायर (पीए/एलएनए): पावर एम्पलीफायर (पीए) आउटगोइंग सिग्नल को बढ़ाता है; कम शोर एम्पलीफायर (एलएनए) शोर जोड़ने के बिना कमजोर आने वाले सिग्नल को बढ़ाता है।
5कनेक्टर: आरएफ-विशिष्ट कनेक्टर (जैसे, एसएमए, यू.एफ.एल.) जो प्रतिबाधा बनाए रखते हैं और सिग्नल प्रतिबिंब को कम करते हैं।

आरएफ सर्किट बोर्ड की मुख्य कार्यक्षमता
आरएफ पीसीबी चार महत्वपूर्ण कार्य करते हैं जो विश्वसनीय वायरलेस संचार को सक्षम करते हैं। प्रत्येक कार्य उच्च आवृत्ति संकेत संचरण की एक अनूठी चुनौती को संबोधित करता हैः
1. कम संकेत हानि (कम से कम क्षीणन)
उच्च आवृत्तियों पर, संकेत दो मुख्य कारकों के कारण ताकत खो देते हैंः
a.Dielectric हानिः पीसीबी सब्सट्रेट द्वारा अवशोषित ऊर्जा (FR4 जैसे उच्च Df सामग्री के साथ बदतर) ।
कंडक्टर हानि: तांबे के निशान में गर्मी के रूप में ऊर्जा खो जाती है (कठोर निशान सतहों या पतले तांबे के साथ बदतर) ।
आरएफ पीसीबी नुकसान को कम से कम करते हैंः
a.कम Df सब्सट्रेट (जैसे, PTFE with Df = 0.001) का उपयोग करना जो न्यूनतम सिग्नल ऊर्जा को अवशोषित करते हैं।
b.अस्पष्ट इलेक्ट्रोलाइटिक तांबे (Ra 1 ¢ 2 ¢m) के बजाय चिकनी रोल्ड तांबे की पन्नी (Ra < 0.5 μm) का उपयोग करना, 28GHz पर कंडक्टर हानि को 30% तक कम करना।
c. निशान ज्यामिति का अनुकूलन (उदाहरण के लिए, कम प्रतिरोध के लिए व्यापक निशान) और तेज मोड़ (जो प्रतिबिंब का कारण बनते हैं) से बचना।

डेटा पॉइंटः रोजर्स RO4350 और रोल्ड तांबे का उपयोग करने वाले 5G मिमीवेव आरएफ पीसीबी में 28GHz पर 0.8dB/इंच का नुकसान होता है।इस अंतर का मतलब है कि एक 5 जी बेस स्टेशन में 4 इंच का निशान अपने सिग्नल का 50% (आरएफ पीसीबी) बनाम. केवल 6% (मानक पीसीबी) ।

2नियंत्रित प्रतिबाधा
प्रतिबाधा (एसी संकेतों के प्रतिरोध) आरएफ पीसीबी के माध्यम से लगातार होना चाहिए ताकि संकेत प्रतिबिंब को रोका जा सके। जब प्रतिबाधा बदलती है (उदाहरण के लिए एक संकीर्ण निशान के बाद एक व्यापक),सिग्नल का एक हिस्सा वापस उछलता है, जिससे विकृति होती है और सीमा कम हो जाती है।.
आरएफ पीसीबी नियंत्रित प्रतिबाधा बनाए रखते हैंः
एक लक्ष्य प्रतिबाधा (50Ω अधिकांश आरएफ संकेतों के लिए, 100Ω ईथरनेट जैसे अंतर जोड़े के लिए) से मेल खाने के लिए निशान डिजाइन करना।
प्रतिबाधा को समायोजित करने के लिए सब्सट्रेट की मोटाई का उपयोग करनाः मोटी डाईलेक्ट्रिक्स (जैसे, 0.2 मिमी) प्रतिबाधा को बढ़ाते हैं; पतले डाईलेक्ट्रिक्स (जैसे, 0.1 मिमी) इसे कम करते हैं।
c.इम्प्रेडेंस को बाधित करने वाले निशान विखंडन (जैसे, अचानक चौड़ाई परिवर्तन, स्टब्स) से बचना।

महत्वपूर्ण नोटः आरएफ अनुप्रयोगों के लिए प्रतिबाधा सहिष्णुता ± 5% होनी चाहिए। 10% विचलन (जैसे, 50Ω के बजाय 55Ω) के कारण संकेत का 10% प्रतिबिंबित हो जाता है। 5G डाउनलोड गति को 4Gbps से 3 तक गिराने के लिए पर्याप्त है।2Gbps.

3ईएमआई दमन और सुरक्षा
उच्च आवृत्ति आरएफ संकेत ईएमआई (इलेक्ट्रोमैग्नेटिक हस्तक्षेप) के लिए प्रवण हैंः वे शोर उत्सर्जित करते हैं जो पास के घटकों (जैसे,एक 5जी मॉडेम स्मार्टफोन के जीपीएस के साथ हस्तक्षेप करता है) और अन्य उपकरणों से शोर उठाता है (ईउदाहरण के लिए, एक कार का इंजन उसके रडार में हस्तक्षेप करता है) ।
आरएफ पीसीबी निम्न के माध्यम से ईएमआई को दबाते हैंः
ग्राउंड प्लेन: आरएफ निशान के ठीक नीचे एक ठोस तांबे का ग्राउंड प्लेन एक ′′छद्म ढाल′′ के रूप में कार्य करता है जो शोर को अवशोषित करता है। 5G पीसीबी के लिए, ग्राउंड प्लेन को बोर्ड क्षेत्र का 90% हिस्सा कवर करना चाहिए।
ग्राउंड वाइसः आरएफ के निशानों के साथ हर 2 से 3 मिमी में वाइस लगाना ऊपरी ग्राउंड प्लेन को आंतरिक/बाहरी ग्राउंड प्लेन से जोड़ता है, जिससे एक 'फाराडे पिंजरा' बनता है जो शोर को कैद करता है।
c.मेटल शील्डिंगः संवेदनशील आरएफ घटकों (जैसे, एलएनए) के चारों ओर प्रवाहकीय आवरण (जैसे, एल्यूमीनियम डिब्बे) बाहरी हस्तक्षेप को अवरुद्ध करते हैं।
d. फिल्टर घटक: फेराइट बीन्स या कंडेन्सर आरएफ निशान तक पहुंचने से पहले अवांछित शोर को जमीन पर भेजते हैं।

केस स्टडीः बिना ग्राउंड वाया के कार रडार पीसीबी (77GHz) में इंजन से ईएमआई के कारण 20% अधिक झूठे पता लगाने का अनुभव हुआ। हर 2 मिमी में ग्राउंड वाया जोड़ने से ईएमआई में 45% की कमी आई।झूठे पता लगाने को घटाते हुए <1% तक ∙ ऑटोमोबाइल सुरक्षा मानकों को पूरा करना (ISO 26262).

4थर्मल प्रबंधन
आरएफ घटक जैसे पावर एम्पलीफायर (पीए) विशेष रूप से 5जी बेस स्टेशनों या रडार सिस्टम में महत्वपूर्ण गर्मी उत्पन्न करते हैं। उच्च तापमान पर, सब्सट्रेट डीके परिवर्तन, प्रतिबाधा शिफ्ट,और घटकों को खराब कर सकते हैं, जिनमें से सभी संकेत की अखंडता को नुकसान पहुंचाते हैं.
आरएफ पीसीबी गर्मी का प्रबंधन करते हैंः
a.थर्मलली कंडक्टिव सब्सट्रेट का उपयोग करना (जैसे, सिरेमिक से भरा Rogers RO4835, थर्मल कंडक्टिविटी = 0.6 W/m·K बनाम मानक FR4 के लिए 0.3 W/m·K) ।
b.गर्म घटकों (जैसे, पीए) के नीचे तांबे से भरे थर्मल वायस को जोड़ना ताकि गर्मी को आंतरिक ग्राउंड प्लेन में स्थानांतरित किया जा सके।
उच्च शक्ति वाली आरएफ प्रणालियों (जैसे, 5जी मैक्रो बेस स्टेशन) के लिए धातु के कोर (एल्यूमीनियम, तांबा) को एकीकृत करना, जो थर्मल चालकता को 1 5 W/m·K तक बढ़ाता है।

उदाहरण: एक मानक FR4 पीसीबी पर एक 5G पीए मॉड्यूल ऑपरेशन के दौरान 120°C तक पहुंचता है, जिससे सिग्नल की ताकत में 15% की गिरावट आती है। थर्मल वेयर्स के साथ सिरेमिक से भरे आरएफ पीसीबी पर एक ही मॉड्यूल 85°C पर रहता है,पूर्ण संकेत शक्ति बनाए रखना और 2 गुना तक पीए जीवनकाल का विस्तार करना.

आरएफ सर्किट बोर्ड के लिए महत्वपूर्ण सामग्री
आरएफ पीसीबी की सफलता पूरी तरह से इसकी सामग्री पर निर्भर करती है। मानक एफआर 4 उच्च आवृत्तियों के लिए अनुपयुक्त है, इसलिए आरएफ डिजाइन विशेष सब्सट्रेट, तांबे की पन्नी और खत्म पर निर्भर करते हैंः
1आरएफ सब्सट्रेट सामग्री
सब्सट्रेट सबसे महत्वपूर्ण सामग्री विकल्प हैं, वे सिग्नल हानि, प्रतिबाधा स्थिरता और तापमान प्रदर्शन को सीधे प्रभावित करते हैं।

मुख्य चयन कारकः तापमान के पार स्थिर डीके के साथ सब्सट्रेट चुनें। उदाहरण के लिए, रोजर्स आरओ 4350 के डीके में केवल 0 परिवर्तन होते हैं।-40°C से 85°C तक 5% ऑटोमोटिव आरएफ पीसीबी के लिए महत्वपूर्ण है जो चरम हुड के तहत स्थितियों में काम करते हैं.

2आरएफ निशान के लिए तांबा पन्नी
तांबे की पन्नी कंडक्टर हानि और संकेत प्रतिबिंब को प्रभावित करती है। आरएफ पीसीबी दो प्रकार का उपयोग करते हैंः

क्यों रोल्ड तांबाः इसकी चिकनी सतह ′′ त्वचा प्रभाव ′′ हानि ′′ उच्च आवृत्ति संकेतों के निशान सतह के साथ यात्रा को कम करती है, इसलिए कच्चे तांबा अधिक प्रतिरोध बनाता है। 28GHz पर,लुढ़का हुआ तांबा कंडक्टर हानि को 40% कम करता है. इलेक्ट्रोलाइटिक तांबा.

3आरएफ-विशिष्ट सतह परिष्करण
सतह की समाप्ति तांबे को ऑक्सीकरण से बचाती है और आरएफ घटकों की विश्वसनीय मिलाप सुनिश्चित करती है। एचएएसएल जैसे मानक खत्म उपयुक्त नहीं हैं क्योंकि वे असभ्य सतहें बनाते हैं जो संकेत हानि को बढ़ाते हैं।

महत्वपूर्ण नोटः आरएफ पीसीबी के लिए एचएएसएल से बचें √ इसकी मोटी सतह (रा 1 ¢ 2μm) 28GHz पर 0.2dB/इंच सिग्नल हानि जोड़ती है, कम हानि वाले सब्सट्रेट के लाभों को रद्द करती है।

आरएफ सर्किट बोर्ड डिजाइन चुनौतियां और सर्वोत्तम अभ्यास
आरएफ पीसीबी को डिजाइन करना मानक पीसीबी की तुलना में बहुत अधिक जटिल है। नीचे संकेत अखंडता सुनिश्चित करने के लिए सबसे आम चुनौतियां और कार्रवाई योग्य समाधान दिए गए हैंः
1चुनौतीः प्रतिबाधा असंगतता
a.समस्याः ट्रैक चौड़ाई, सब्सट्रेट मोटाई या घटक प्लेसमेंट में भी छोटे बदलाव प्रतिबाधा को बाधित कर सकते हैं जिससे संकेत प्रतिबिंबित हो सकता है।
b. समाधानः
अपने सब्सट्रेट के लिए निशान आयामों को डिजाइन करने के लिए प्रतिबाधा कैलकुलेटर (उदाहरण के लिए, रॉजर्स RO4350 पर 50Ω के लिए 0.15 मिमी चौड़ाई) का उपयोग करें।
ट्रेस स्टब्स (अप्रयुक्त खंडों) से बचें 28GHz पर 1 मिमी स्टब्स से 10% सिग्नल प्रतिबिंबित होता है।
समय क्षेत्र परावर्तनमीटर (टीडीआर) के साथ परीक्षण प्रतिबाधा विनिर्माण के बाद ± 5% से अधिक विचलन के साथ अस्वीकार बोर्ड।

2चुनौतीः खराब ग्राउंडिंग
a.समस्याः उचित ग्राउंडिंग के बिना, आरएफ सिग्नल लीक हो जाते हैं, शोर उठा लेते हैं, और सिग्नल अखंडता को नष्ट करने के लिए प्रतिबिंबित करते हैं।
b. समाधानः
आरएफ घटकों के लिए एकल बिंदु ग्राउंड का प्रयोग करें (सभी ग्राउंड कनेक्शन एक बिंदु पर मिलते हैं) ग्राउंड लूप (जो शोर पैदा करते हैं) से बचने के लिए।
आरएफ निशानों के साथ हर 2-3 मिमी पर ग्राउंड वाइस रखें, यह शीर्ष निशान को ग्राउंड प्लेन से जोड़ता है, जिससे कम प्रतिबाधा वाला वापसी पथ बनता है।
पृथक ग्राउंड प्लेन (उदाहरण के लिए, अलग-अलग एनालॉग/डिजिटल ग्राउंड) से बचें।

3चुनौतीः घटक स्थान
a.समस्याः शोर वाले घटकों (जैसे, पीए) को संवेदनशील घटकों (जैसे, एलएनए) के पास रखने से ईएमआई क्रॉस-टॉक होता है।
b. समाधानः
आरएफ प्रवाह नियम का पालन करेंः निशान लंबाई को कम करने के लिए ऑर्डर सिग्नल यात्रा (एंटेना → फ़िल्टर → एलएनए → ट्रांससीवर → पीए → एंटीना) में घटकों को रखें।
शोर और संवेदनशील घटकों को ≥10 मिमी से अलग करें, अतिरिक्त परिरक्षण के लिए उनके बीच एक ग्राउंड प्लेन का उपयोग करें।
आरएफ के निशान को यथासंभव छोटा रखें: 28GHz पर 1 इंच का निशान 0.8dB खो देता है 2 इंच की लंबाई को दोगुना करने से 1.6dB खो जाता है।

4चुनौतीः विनिर्माण सहिष्णुता
a. समस्याः सब्सट्रेट मोटाई में भिन्नता, उत्कीर्णन त्रुटियां, और सोल्डर मास्क कवरेज प्रतिबाधा को स्थानांतरित कर सकते हैं और नुकसान बढ़ा सकते हैं।
b. समाधानः
आरएफ पीसीबी (जैसे, एलटी सर्किट) में विशेषज्ञता रखने वाले निर्माताओं के साथ काम करें जो तंग सहिष्णुता प्रदान करते हैं (सब्सट्रेट मोटाई ± 0.01 मिमी, निशान चौड़ाई ± 0.02 मिमी) ।
विनिर्माण की आवश्यकता के रूप में 'नियंत्रित प्रतिबाधा' निर्दिष्ट करें। इससे यह सुनिश्चित होता है कि कारखाना प्रतिबाधा का परीक्षण करता है और यदि आवश्यक हो तो प्रक्रियाओं को समायोजित करता है।
आरएफ निशानों पर न्यूनतम कवरेज के साथ सोल्डर मास्क का उपयोग करें (0.1 मिमी क्लीयरेंस रखें)

आरएफ पीसीबी बनाम मानक पीसीबी डिजाइनः एक त्वरित संदर्भ

आरएफ सर्किट बोर्ड के मुख्य अनुप्रयोग
आरएफ पीसीबी वायरलेस संचार का उपयोग करने वाले किसी भी उपकरण के लिए आवश्यक हैं। नीचे सबसे महत्वपूर्ण उद्योग हैं और वे आरएफ प्रौद्योगिकी पर कैसे निर्भर करते हैंः
1. 5जी और 6जी वायरलेस नेटवर्क
a.उपयोग मामलाः 5जी बेस स्टेशन (मैक्रो, स्मॉल सेल) और उपयोगकर्ता उपकरण (स्मार्टफोन, टैबलेट) 28GHz/39GHz मिमीवेव सिग्नल प्रसारित करने के लिए आरएफ पीसीबी पर निर्भर करते हैं।
b.RF पीसीबी आवश्यकताएंः कम हानि वाले Rogers RO4350 सब्सट्रेट, 50Ω प्रतिबाधा, 0.15 मिमी के निशान, और बहु-गीगाबिट डेटा दरों (4Gbps+) को संभालने के लिए ENEPIG खत्म।
c.प्रभावः एक अच्छी तरह से डिजाइन किए गए 5जी आरएफ पीसीबी से छोटे सेल कवरेज को 20% तक बढ़ाया जा सकता है।

2मोटर वाहन रडार और एडीएएस
a.उपयोग मामलाः स्व-ड्राइविंग कारें बाधाओं, पैदल चलने वालों और अन्य वाहनों का पता लगाने के लिए 77GHz रडार आरए