Топология ВЧ-узла

На низкой частоте схема — это схема, а плата — способ её соединить. На радиочастоте плата сама становится частью схемы. Каждый миллиметр дорожки — отрезок линии, каждое переходное отверстие — индуктивность, каждый кусок полигона — ёмкость или резонатор. Поэтому ВЧ-узел разводят не «как получится», а по жёстким правилам и, как правило, повторяя референс-дизайн производителя радиочипа.

Аналогия: тень под дорожкой

Ты уже знаешь из урока 9.7, что быстрый сигнал возвращается к источнику по земле прямо под своей дорожкой. На радиочастоте это правило работает в полную силу. Представь обратный ток как тень дорожки на соседнем слое земли. Тень повторяет каждый изгиб. Если на её пути разрез в земле, переход на другой слой без земляного отверстия или чужая дорожка — тени приходится обходить. Петля тока растёт, появляются индуктивность, излучение и наводки.

Отсюда первое правило: под всем ВЧ-трактом — сплошная земля без разрезов. На двухслойной плате это весь нижний слой под радиочастью. На четырёхслойной — слой L2 целиком. Цифровые и силовые дорожки под ВЧ-трактом и под трансивером не проходят.

Сшивка земли и забор из переходных отверстий

Когда земля есть и на верхнем, и на нижнем слое, их соединяют множеством переходных отверстий — это сшивка (via stitching). Вдоль ВЧ-линии отверстия ставят двумя рядами — это забор (via fence, via shielding). Забор держит поле линии внутри «коридора» и не даёт ему уходить в соседние цепи.

Какой шаг выбрать? Пока расстояние между отверстиями мало по сравнению с длиной волны, ряд отверстий для волны выглядит почти как сплошная стенка. Распространённый ориентир — шаг не больше λ/10, лучше λ/20 на самой высокой частоте, которая есть на плате. В документации Altium по via stitching приводят те же числа.

Частота	λ₀	λ₀/20	λг/20 в FR-4 (εэфф ≈ 3,3)
868 МГц	345 мм	≈ 17 мм	≈ 9,6 мм
2,45 ГГц	122 мм	≈ 6,1 мм	≈ 3,4 мм
5,8 ГГц	52 мм	≈ 2,6 мм	≈ 1,4 мм

Считай по λг в диэлектрике — так строже. Важно не только основная частота: гармоники передатчика вдвое и втрое выше, а их тоже нужно удержать на плате. Поэтому на практике вдоль линии 868 МГц ставят отверстия с шагом 3–5 мм — это ничего не стоит и с запасом закрывает гармоники. Сам ряд ставят вдоль края зазора CPWG, как в референс-дизайне.

Рис. 12.8а. ВЧ-узел и цифровая часть на одной плате. Земля — один сплошной полигон без разрезов. Край ВЧ-зоны и линию 50 Ом прошивают рядами переходных отверстий на нижнюю землю с шагом не больше λ/20 на верхней рабочей частоте. Цифровые линии обходят ВЧ-зону и не идут под трансивером и антенной.

Помни, что одно переходное отверстие — это не «идеальная земля». Его индуктивность оценивают формулой L ≈ 0,2·h·(ln(4h/d) + 1) нГн (h и d в мм; Johnson, Graham). Для платы 1,6 мм и отверстия 0,3 мм выходит около 1,3 нГн. На 868 МГц это реактивное сопротивление около 7 Ом — заметно на фоне 50 Ом. Поэтому у земляных площадок параллельных элементов П-цепи и у земляных выводов радиочипа ставят отдельное отверстие на каждую площадку, вплотную к ней, а не одно общее.

Экран

Экран (shield can) — жестяная коробка над ВЧ-узлом. Она защищает радиочасть от наводок цифры и снижает собственное излучение платы. Обычно это рамка, впаянная в земляную дорожку по периметру, и съёмная крышка. Рамку прошивают переходными отверстиями на нижнюю землю — с тем же шагом, что и забор.

Но металлическая коробка — это объёмный резонатор. У пустой прямоугольной коробки a × b нижний резонанс f ≈ (c/2)·√(1/a² + 1/b²). Если рабочая частота или её гармоника близко к резонансу, экран начинает «звенеть» и связывает между собой то, что должен разделять.

Рис. 12.8б. Экран (shield can) — металлическая коробка над ВЧ-узлом, впаянная в рамку из земли. Вместе с землёй платы он образует объёмный резонатор. Его нижняя резонансная частота должна быть заметно выше рабочей, иначе экран вместо защиты начнёт «звенеть». Малорацкий в §1.7 подробно разбирает этот эффект для корпусов ГИС СВЧ.

Для LoRa на 868 МГц экран 20 × 15 мм с резонансом около 12,5 ГГц безопасен. Для Wi-Fi 5–6 ГГц экран 50 × 40 мм (≈ 4,8 ГГц) — уже проблема: его делят перегородкой на два отсека.

📖Из учебникаМалорацкий, гл. 1, §1.6–1.7, с. 97–107

В §1.6 Малорацкий предлагает собирать сложное устройство СВЧ из типовых модулей на общем основании. Основание одновременно отводит тепло, а в модуль включают и низкочастотные узлы, чтобы убрать лишние разъёмы. В §1.7 он перечисляет требования к корпусу: прочность, герметичность, экранирование, отвод тепла, дешевизна и минимальное влияние на схему. Последнее — самое тонкое. Корпус с подложкой внутри автор рассматривает как волноводный резонатор, частично заполненный диэлектриком. В его примере подложка из поликора (εr = 9,8) 30 × 24 мм толщиной 0,5 мм. Для простейших типов волн критические длины волн выходят 1,9–3,75 см, и на рабочей длине волны 3,2 см нужно выбирать высоту крышки так, чтобы паразитный тип волны не возникал. Вторая проблема — крышка, опущенная слишком низко, меняет волновое сопротивление и εэфф полосков. Чтобы крышка не влияла, расстояние от подложки до крышки делают намного больше толщины подложки (в примере — более 10h). Против резонансов корпуса автор советует поглотитель на крышке или подстроечный винт. Главный враг герметичного корпуса — влага, поэтому корпуса из латуни, алюминия или ковара запаивают или заваривают.

Что изменилось. Физика та же: экран и сегодня — резонатор, и правило «крышка не ближе нескольких толщин подложки к линиям» по-прежнему верное. Но корпуса стали другими. Вместо фрезерованной латунной коробки — штампованный экран за копейки, вместо герметизации — влагостойкая маска и лак. Резонансы сегодня проверяют ЭМ-симулятором ещё до заказа, а поглотитель продают листами (ферритовые и силиконовые поглотители). В §1.9–1.10 (с. 113 и далее) Малорацкий описывает сборку ГИС термокомпрессией и сваркой золотых проводников. На печатной плате им на смену пришёл поверхностный монтаж: роль «перемычки» играет площадка детали, и её тоже стоит держать маленькой — корпуса 0402 и 0201 на ВЧ лучше, чем 0805.

ВЧ отдельно, цифра отдельно

1. Зоны. Плату заранее делят на ВЧ-зону (трансивер, согласование, фильтр, разъём или антенна) и всё остальное. Земля общая и сплошная — делят размещение, а не медь.
2. Цифровые линии (SPI, UART, тактовые) идут в обход ВЧ-зоны и не пересекают ВЧ-линию даже на другом слое.
3. Импульсный стабилизатор (DC-DC) — источник помех с гармониками до сотен мегагерц. Его ставят как можно дальше от трансивера и антенны и фильтруют питание радиочасти так, как предлагает референс-дизайн (ферритовая бусина, LC-фильтр или отдельный LDO).
4. Кварц и TCXO трансивера — вплотную к выводам чипа, с землёй вокруг. Это требование производителя: гармоники опорного генератора попадают прямо в приёмник.
5. Развязка питания. У каждого вывода питания радиочипа — конденсатор с отдельным отверстием на землю. На ВЧ работает конденсатор, у которого частота собственного резонанса (SRF) близка к рабочей частоте. Поэтому рядом со 100 нФ в референс-дизайнах часто стоят десятки пикофарад. Номиналы и порядок — строго по референс-дизайну (урок 5.7).
6. Размещение по референс-дизайну. Расстояния и порядок деталей ВЧ-тракта копируют с референсной платы производителя. Это самая дешёвая гарантия, что тракт заработает с первого раза.

🛠Особенность Altium

Сшивку и забор Altium ставит автоматически. Команда Tools›Via Stitching/Shielding›Add Stitching to Net заполняет полигон или область отверстиями выбранной цепи (обычно GND). В диалоге задают сетку (расстояние между центрами отверстий), смещение, шахматный порядок, зазор и стиль отверстия. Команда Tools›Via Stitching/Shielding›Add Shielding to Net ставит ряды отверстий вдоль дорожек выбранной цепи или выделенных объектов: расстояние от дорожки, шаг (здесь — между краями отверстий), число рядов. Там же можно сразу добавить медь под отверстия и вырез в полигоне. Удаляют группу отверстий командами Remove Via Stitching Group и Remove Via Shielding Group. Чтобы отверстия не мешали проверке DRC, их стиль и зазоры задают правилами, как в уроке 5.6.

🧯 Типичные ошибки

Землю «разделили» на аналоговую ВЧ-землю и цифровую разрезом в полигоне

Почему Обратный ток ВЧ-сигналов и цифровых линий, пересекающих разрез, обходит его. Петля растёт, и разрез работает как щелевая антенна.

Как исправить Одна сплошная земля. Разделяй размещение: ВЧ-зона отдельно, цифровые линии в обход неё.

Верхний полигон земли рядом с ВЧ-линией соединён с нижним в двух-трёх точках

Почему Плохо сшитый кусок меди резонирует и связывает линию с соседними цепями. Заодно меняется волновое сопротивление CPWG.

Как исправить Сшивка с шагом λг/20 и меньше, ряды отверстий вдоль линии и по краю полигонов. Острова меди без отверстий удаляют.

Земляные площадки трёх конденсаторов развязки сведены дорожкой к одному отверстию

Почему Около 1 нГн на отверстие и индуктивность общей дорожки делают развязку на ВЧ бесполезной. Через общий путь токи разных цепей мешают друг другу.

Как исправить Отдельное отверстие на каждую земляную площадку, вплотную к ней.

Проверь себя

1. 1. Плата с LoRa 868 МГц. Какой шаг забора из переходных отверстий вдоль линии 50 Ом разумен?

   30 мм — λ/10 в воздухе, этого достаточно3–5 мм: это меньше λг/20 и с запасом закрывает гармоники0,1 мм — чем чаще, тем лучше, без ограниченийЗабор не нужен ниже 1 ГГц
2. 2. Экран 50 × 40 мм над модулем Wi-Fi 5 ГГц. Чем он опасен?

   Ничем, экран всегда только помогаетЕго нижний резонанс около 4,8 ГГц близок к рабочей частоте: коробка будет резонаторомОн слишком маленький для 5 ГГцОн закоротит питание
3. 3. Почему у земляной площадки каждого параллельного конденсатора П-цепи ставят своё переходное отверстие?

   Так требует IPC-2221Индуктивность отверстия — около 1 нГн, на 868 МГц это несколько ом. Общий путь на землю меняет номинал цепи и связывает элементыИначе конденсатор не пропаяетсяЧтобы отвести тепло
4. 4. Что Малорацкий советует против паразитных резонансов корпуса?

   Сделать крышку из пластикаПоглотитель на крышке или подстроечный винт, а размеры корпуса выбирать так, чтобы паразитный тип волны не возникалУвеличить мощность передатчикаУбрать подложку

🎯Практическое задание~40 мин

Скачай референс-дизайн любого трансивера sub-GHz или 2,4 ГГц (Semtech SX1262, TI CC1310, Nordic nRF52) и открой его топологию в просмотрщике Gerber (урок 10.8). Найди и опиши: где проходит ВЧ-линия и какой она ширины, какой шаг у забора из переходных отверстий, сколько отверстий у земли трансивера, где стоят кварц или TCXO, где идут цифровые линии и есть ли экран. Посчитай λг/20 для рабочей частоты и третьей гармоники и сравни с шагом в референс-дизайне.