在可穿戴物联网市场不断壮大的今天，由于体积和尺寸都很小，几乎没有现成的PCB印刷电路板标准可供使用。因此，PCB设计师不得不充分利用他们在板级开发中所学的知识和制造经验，并思考如何将这些知识应用于迎接独特的新兴挑战。本文将重点关注三个领域，它们是：电路板表面材料，射频/微波设计和射频传输线。
PCB材料的选择
通常，PCB由多层叠层组成，这些叠层可以使用不同材料制造，包括纤维增强型环氧树脂（FR4）、聚酰亚胺或罗杰斯（Rogers）材料等。不同层之间的绝缘材料被称为半固化片。
在可穿戴设备领域，高可靠性要求尤为重要。因此，在选择PCB材料时，PCB设计师需要考虑使用FR4（具有最高性价比的PCB制造材料）还是更先进、更昂贵的材料。这是一个关键问题，因为不同材料具有不同的特性。
举例来说，当可穿戴PCB应用要求高速和高频材料时，FR4可能不是最佳选择。FR4的介电常数（Dk）约为4.5，而更先进的Rogers 4003系列材料的介电常数为3.55，兄弟系列Rogers 4350的介电常数为3.66。
介电常数是一个重要参数，它指的是材料中一对导体之间的电容与真空中同一对导体之间电容的比值。在高频应用中，较低的损耗更为重要，因此，介电常数为3.66的Rogers 4350比介电常数为4.5的FR4更适用于高频率的应用。
一般来说，可穿戴设备的PCB层数介于4层到8层之间。层数的设计原则是确保足够的地层和电源层，并将布线层夹在中间。这有助于最小化串扰和显著降低电磁干扰（EMI）。
在电路板版图设计中，常常将大块地层紧靠电源分配层，以降低纹波效应，减小系统噪声。这对于射频子系统尤为关键。
与FR4相比，Rogers材料具有较低的耗散因数（Df），特别是在高频条件下。高性能的FR4叠层的Df约为0.002，而Rogers叠层仅为0.001或更低。在高频应用中，这会导致明显的插损差异，插损是信号从A点传输到B点时的功率损失。
制造问题
可穿戴PCB对阻抗控制要求更加严格，这在可穿戴设备中至关重要，因为阻抗匹配可以实现更干净的信号传输。在过去，信号走线的标准公差为±10%。然而，对于今天的高频高速电路来说，这显然不足够。现在的要求是±7%，甚至在某些情况下达到±5%或更小。这个参数以及其他变量将严重影响制造阻抗控制要求严格的可穿戴PCB，从而限制了可生产这些PCB的制造商数量。
采用Rogers特高频材料制造的叠层的介电常数公差通常保持在±2%，有些产品甚至可以达到±1%。相比之下，FR4叠层的介电常数公差高达10%，因此，Rogers的插损非常低。与传统的FR4材料相比，Rogers叠层的传输损耗和插损要低一半。
在大多数情况下，成本是一个重要因素。然而，Rogers可以以相对合理的价格提供低损耗的高频叠层性能。在商业应用中，Rogers可以与基于环氧树脂的FR4混合制造PCB，其中一些层采用Rogers材料，而其他层采用FR4。
在选择Rogers叠层时，频率是首要考虑因素。当频率超过500MHz时，PCB设计师更倾向于选择Rogers材料，特别是在射频/微波电路中，因为严格的阻抗控制对于这些材料可以提供更高的性能。
与FR4相比，Rogers材料还具有更低的介电损耗，其介电常数在广泛的频率范围内都非常稳定。此外，Rogers材料能够提供理想的低插损性能，适用于高频要求。
射频/微波设计考虑
便携式技术和蓝牙技术为可穿戴设备中的射频/微波应用提供了机会。现今的频率范围变得越来越广泛。以前，甚高频（VHF）被定义为2GHz到3GHz。但现在，我们可以看到范围在10GHz到25GHz之间的超高频（UHF）应用。
因此，对于可穿戴PCB，射频部分需要更加密切地关注布线问题，确保将高频信号与其他信号隔离开来。此外，还需要考虑其他因素，如提供旁路滤波器、足够的去耦电容、接地以及保持传输线和回路线几乎相等的设计。
旁路滤波器可以有效抑制噪声和串扰的纹波效应。去耦电容需要放置在靠近电源引脚的器件旁边，以提供电源去耦。高速传输线和信号回路要求在电源层和信号层之间布置地层，以平滑噪声信号引起的抖动。在高速信号时，小的阻抗不匹配都可能导致传输和接收信号的不平衡，从而产生失真。
射频传输线需要精确控制阻抗，以便将射频信号从特定的IC基底传送到PCB。微带线、悬浮的带状线、共面型波导或接地都是在PCB射频设计中常见的方法。这些方法可以提供更好的隔离，特别是在信号和射频走线之间。
在共面波导两边，推荐使用所谓的“过孔围栏”。这种方法可以在中心导体的每个金属地平面上提供一排接地过孔，从而减少与射频信号高纹波效应有关的噪声电平。
结论
对于可穿戴物联网设备而言，PCB印刷电路板的标准在确保高性能和可靠性方面至关重要。PCB材料的选择，制造问题和射频/微波设计都对设备的性能产生重大影响。因此，PCB设计师需要仔细考虑这些因素，并根据具体应用需求做出明智的选择。
在未来，随着可穿戴物联网市场的不断发展，PCB技术将继续演化，以满足日益增长的需求。标准化PCB设计和制造流程将有助于推动这一领域的创新和发展，为消费者提供更出色的可穿戴设备。
常见问题解答
- 什么是PCB印刷电路板的介电常数？
- PCB印刷电路板的介电常数指的是材料中一对导体之间的电容与真空中同一对导体之间电容的比值。
- 为什么在可穿戴设备中选择Rogers材料？
- Rogers材料具有较低的介电损耗和更严格的阻抗控制，适用于高频高速电路，因此在可穿戴设备中选择它们可以提供更好的性能。
- 为什么阻抗控制在可穿戴PCB中如此重要？
- 阻抗控制可以实现更干净的信号传输，对于可穿戴设备的性能至关重要。
- 什么是射频传输线的作用？
- 射频传输线用于将射频信号从特定的IC基底传送到PCB，确保信号的传输质量。
- PCB印刷电路板的标准化对可穿戴物联网市场有何影响？
- PCB印刷电路板的标准化有助于推动可穿戴物联网领域的创新和发展，提供更出色的可穿戴设备给消费者。
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