عند تصميم لوحة دائرة مطبوعة، تُعد طبقة الأرضي (Ground Plane) من أهم الطبقات.
قد تبدو بسيطة، لكن طريقة تصميمها وربطها هي ما يحدد إن كانت اللوحة ستعمل بثبات أم ستعاني ضوضاء وفقدان إشارة أو مشاكل EMI.
في هذا الدليل نشرح ما الذي تفعله طبقة الأرضي، ولماذا تؤثر في مسار تيار الرجوع، وEMI، وسلامة الإشارة، وكيف تصممها بشكل صحيح للوحات الرقمية وRF.
ما هي طبقة الأرضي ولماذا هي مهمة؟
طبقة الأرضي هي مساحة كبيرة من النحاس تُستخدم كمرجع كهربائي مشترك للإشارات والطاقة.
توفر مساراً منخفض الممانعة لتيارات الرجوع، وتقلل الضوضاء الكهرومغناطيسية، وتوزّع الحرارة على اللوحة.
في اللوحات متعددة الطبقات تكون طبقة الأرضي عادةً طبقة نحاسية مخصصة تحت طبقة الإشارات أو فوقها مباشرة.
في اللوحات ثنائية الطبقة قد تكون سكباً نحاسياً واسعاً في الوجه السفلي مرتبطاً بـ GND.
فوائد الطبقة الصلبة للأرضي:
- سلامة إشارة أفضل
- استقرار في القدرة (Power)
- أداء EMI/EMC أفضل
- صلابة ميكانيكية وتوزيع حراري أفضل
بدونها ستسلك تيارات الرجوع مسارات أطول، فتزداد مساحة الحلقة والإشعاع.
مسار الرجوع: القاعدة الأولى لطبقة أرضي جيدة
كل إشارة تخرج يجب أن تعود عبر مسار الرجوع—وعادةً يكون عبر طبقة الأرضي.
بالنسبة للترددات العالية يسلك تيار الرجوع مسار أقل ممانعة مباشرةً تحت الأثر (Trace)، وليس أقصر طريق هندسياً.
عند وجود طبقة أرضي متصلة يكون مسار الرجوع سلساً ومتوقعاً.
أما في حال وجود فراغ أو انقسام تحت الأثر فسيضطر التيار للالتفاف، ما يزيد مساحة الحلقة ويؤدي إلى:
- حث حلقي أعلى
- تداخل وت انعكاسات
- زيادة إشعاع EMI
حافظ دائماً على مرجع مستمر، وأضف فيّات ربط أرضي (Stitching Vias) قرب أي تغيير طبقة للإشارة كي يتبعها تيار الرجوع من قرب.
لا تقسّم طبقة الأرضي (إلا للضرورة)
تقسيم الأرضي—مثل فصل أرضي تماثلي AGND عن رقمي DGND—خطأ شائع.
لماذا هو خطِر؟
- الانقسام يعيق تيار الرجوع فيلتف حول الفجوة.
- هذا يرفع الممانعة ويزيد التداخل.
- عبور إشارات عالية السرعة فوق الشق يسبب EMI وأخطاء توقيت.
متى يُقبل؟
- العزل السلامي (جهود عالية مقابل منخفضة)
- مناطق تماثلية حساسة ومنخفضة التردد/التيار
- مناطق RF أو طاقة تتطلب عزل الأرضي تصميمياً
إن اضطررت للتقسيم، فاجمع الأرضيين عند نقطة واحدة مضبوطة (Star Ground/Net Tie)، وليس بمسار عشوائي أو مكثف.
ولا تمرّر أي خط عالي السرعة فوق الشق.
رصّ الطبقات: كيف تستخدم طبقات الأرضي بالشكل الصحيح
تصميم Stack-upذكي هو أساس سلامة الإشارة.
تشكيل شائع لأربع طبقات:
- أعلى: إشارات
- الطبقة 2: أرضي
- الطبقة 3: قدرة
- أسفل: إشارات
هذا يوفّر مرجعاً قريباً لكل أثر على السطح العلوي، فيقلل مساحة الحلقة وEMI.
في لوحات 6 أو 8 طبقات تعطي طبقات أرضي متعددة مسارات رجوع أفضل وتوازناً حرارياً أعلى.
وضع طبقتي Power وGround متجاورتين يصنع مكثفاً صفائحيّاً طبيعياً يحسّن توصيل القدرة وفك التموجات.
في لوحات الطبقتين، اجعل وجهاً كاملاً تقريباً للأرضي وتجنب تقطيعه إلى جزر صغيرة.
EMI وEMC: دور طبقة الأرضي في كبح الضوضاء
التأريض الجيد هو خط الدفاع الأول ضد EMI.
قواعد أساسية:
- أبقِ طبقة الأرضي مستمرة تحت كل الآثار عالية السرعة.
- تجنب عبور أي إشارة فوق شق أرضي.
- صغّر مساحة الحلقة بين الإشارة والرجوع.
- ضع مكثفات إزالة التموج قريباً من أرجل تغذية الدوائر المتكاملة لتمرير تيارات التردد العالي مباشرة إلى الأرضي.
عند الموصلات مثل USB/HDMI/Ethernet، حافظ على مرجع أرضي صلب تحت الواجهة، وتجنب أي فراغات تُحدث ضوضاء وضعاً مشتركاً.
تأريض لوحات RF: المايكروسترب، السترِبلاين، وخياطة الفيا
في تصميمات RF/الميكروويف تصبح طبقة الأرضي أكثر أهمية.
كل خط نقل—Microstrip على السطح أو Stripline داخلي—بحاجة لمرجع متصل لضبط الممانعة وتقليل الإشعاع.
استخدم خياطة الفيا (Via Stitching/Via Fence) على جوانب آثار RF أو حول الحواجز.
تشكل هذه «جداراً» من فيّات مؤرضة تمنع تسرب الطاقة إلى الدوائر المجاورة.
اختر المواد بعناية:
الرقائق منخفضة الفقد (PTFE, Rogers أو FR-4 هجين) تحافظ على Dk مستقرة وتقلل الفقد.
حافظ على سماكة عازل ثابتة بين أثر RF وطبقة الأرضي لضبط الممانعة.
سكب النحاس أم طبقة أرضي صلبة؟
إن لم تستطع تخصيص طبقة كاملة للأرضي—كما في لوحات الطبقتين—استخدم سكب النحاس (Copper Pour) واربطه بالأرضي.
نصائح:
- أزل جزر النحاس المعزولة أو اربطها بفيّات حتى لا تعمل كهوائيات.
- استخدم مناطق حرارية للألحام الأسهل، واتصالاً مباشراً للمسارات القوية.
- تجنب شبكات/مَصافي النحاس في الطبقات عالية السرعة—النحاس الصلب أفضل.
تبقى الطبقة الصلبة للأرضي الخيار الأفضل للتصاميم عالية السرعة والكثيفة لأنها تمنح ممانعة متوقعة وتدريعاً أعلى.
فيّات الخياطة وروابط الأرضي
عند تغيير طبقة الإشارة (مثل من أعلى لأسفل) يجب أن يتبعها مسار الرجوع.
أضف فيّا أرضي بجانب كل فيّا إشارة لتوفير طريق رجوع مباشر.
في المناطق عالية التردد، ضع فيّات الخياطة كل 5–10 مم تقريباً بمحاذاة حواف السكب أو قرب الآثار السريعة.
للتدريع ومناطق RF يمكن تقليل التباعد إلى نحو λ/10 من تردد الإشارة.
تجنب الفراغات الكبيرة أو الفتحات في الأرضي قرب هذه الفيا لأنها تسبب عدم استمرارية في الممانعة.
قواعد ترتيب لوحات مختلطة الإشارة والطاقة
اللوحات المختلطة (تماثلي + رقمي) يجب أن تفصل مكانياً بين المناطق الصاخبة والهادئة، لا كهربائياً.
- اجمع الدوائر التماثلية والرقمية والطاقة في مناطق منفصلة.
- اجعل حلقات التبديل عالية di/dt صغيرة وقريبة من مكثفاتها.
- مرّر الآثار التماثلية الحساسة فوق مرجعها التماثلي فقط.
- استخدم نقطة ربط واحدة بين أرضي التماثلي والرقمي.
في اللوحات متعددة الطبقات، اجعل طبقات الإشارة ملاصقة للأرضي قدر الإمكان.
وتجاور طبقتي القدرة والأرضي يحسّن تكامل القدرة ويقمع EMI.
أخطاء شائعة في طبقة الأرضي وكيف تُصلّحها
| المشكلة | السبب المحتمل | الحل |
|---|---|---|
| فشل اختبار EMI | شقوق أو فراغات تحت مسارات الإشارة | أعِد الأرضي صلباً؛ أضف فيّات خياطة |
| تشوه أو رنين بالإشارة | مرجع غير متصل/متقطع | استخدم طبقة أرضي أقرب؛ تحقق من الممانعة |
| تداخل بين الآثار | مشاركة مسارات الرجوع | افصل الإشارات أو أضف آثار/فيّات أرضي |
| قراءات تماثلية غير مستقرة | مشاركة أرضي رقمي صاخب | اعزل المنطقة ووصلها بنقطة واحدة |
| إشعاع RF غير متوقع | جزيرة نحاسية عائمة | أزلها أو اربطها بالأرضي الرئيسي |
الخلاصة
طبقة الأرضي هي أساس سلامة الإشارة، والتحكم بالضوضاء الكهرومغناطيسية، واستقرار القدرة.
اجعلها مستمرة، وقريبة من الإشارات، وذات روابط جيدة.
تجنب التقسيم غير الضروري، وامنح تيار الرجوع دائماً طريقاً قصيراً منخفض الممانعة.
سواءً كنت تصمم نموذجاً رقمياً أو وحدة RF، فإن إتقان طبقة الأرضي يعني مفاجآت أقل، وإشارات أنظف، ومنتجاً أكثر موثوقية.
