試論射頻電路PCB設(shè)計(jì)的困境和改善措施

射頻（RF）PCB 設(shè)計(jì)，在目前公開出版的理論上具有很多不確定性，常被形容為一種“黑色藝術(shù)”。通常情況下，對(duì)于微波以下頻段的電路（ 包括低頻和低頻數(shù)字電路）， 在全面掌握各類設(shè)計(jì)原則前提下的仔細(xì)規(guī)劃是一次性成功設(shè)計(jì)的保證。對(duì)于微波以上頻段和高頻的PC 類數(shù)字電路，則需要2~3 個(gè)版本的 PCB 方能保證電路品質(zhì)。而對(duì)于微波以上頻段的RF 電路， 則往往需要更多版本的 PCB 設(shè)計(jì)并不斷完善， 而且是在具備相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的前提下。由此可知 RF 電設(shè)計(jì)上的困難。

典型的射頻板

無線上網(wǎng)模塊

布局前需要熟知產(chǎn)品架構(gòu)和信號(hào)流向

1 RF 電路設(shè)計(jì)的常見問題

1.1 數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾
如果模擬電路（射頻）和數(shù)字電路單獨(dú)工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個(gè)電源一起工作，整個(gè)系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)頻繁地在地和正電源（>3 V）之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是納秒級(jí)的。由于較大的振幅和較短的切換時(shí)間， 使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量且獨(dú)立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無線調(diào)諧回路傳到無線設(shè)備接收部分的信號(hào)一般小于1μV。因此數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)之間的差別會(huì)達(dá)到 120 dB。顯然，如果不能使數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)很好地分離， 微弱的射頻信號(hào)可能遭到破壞，這樣一來，無線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作。

常見的干擾現(xiàn)象

數(shù)模射頻混合電路分區(qū)設(shè)計(jì)

1.2 供電電源的噪聲干擾
射頻電路對(duì)于電源噪聲相當(dāng)敏感， 尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸入大部分電流， 這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS 工藝制造。因此， 假設(shè)一個(gè)微控制器以 1 MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行，它將以此頻率從電源提取電流。如果不采取合適的電源去耦， 必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達(dá)電路 RF 部分的電源引腳，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致工作失效。

射頻芯片電源布局及電容排布要注意規(guī)則

高速時(shí)鐘重要信號(hào)走線走內(nèi)層完整的參考平面及包裹保護(hù)

1.3 不合理的地線
如果 RF 電路的地線處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對(duì)于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，即使沒有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在 RF 頻段，即使一根很短的地線也會(huì)如電感器一樣作用。粗略地計(jì)算， 每毫米長度的電感量約為 1 nH， 433 MHz時(shí)10 mm PCB 線路的感抗約 27Ω。如果不采用地線層， 大多數(shù)地線將會(huì)較長， 電路將無法具有設(shè)計(jì)的特性。

不合理接接地

1.4 天線對(duì)其他模擬電路部分的輻射干擾
在 PCB 電路設(shè)計(jì)中， 板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）或數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器（DAC）。射頻發(fā)送器的天線發(fā)出的高頻信號(hào)可能會(huì)到達(dá) ADC 的模擬輸入端。因?yàn)槿魏坞娐肪€路都可能如天線一樣發(fā)出或接收 RF 信號(hào)。如果 ADC輸入端的處理不合理， RF 信號(hào)可能在 ADC 輸入的ESD 二極管內(nèi)自激，從而引起 ADC 偏差。

天線的禁布區(qū)和天線對(duì)內(nèi)部電路相互干擾

2 RF 電路設(shè)計(jì)原則及方案
2.1 RF 布局概念
在設(shè)計(jì) RF 布局時(shí)，必須優(yōu)先滿足以下幾個(gè)總原則
（1）盡可能地把高功率 RF 放大器（HPA）和低噪音放大器（LNA）隔離開來， 簡單地說， 就是讓高功率RF 發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率 RF 接收電路。

功率放大電路PA偏置四分之一波長設(shè)計(jì)

一字排布原則

放大器偏置電感垂直排布

錯(cuò)誤的放大器偏置布局

（2）確保 PCB 板上高功率區(qū)至少有一整塊地，最好上面沒有過孔，當(dāng)然，銅箔面積越大越好。

足夠的GND過孔改善信號(hào)接地和散熱

射頻濾波器等接地要充分

（3）電路和電源去耦同樣也極為重要。
（4）RF 輸出通常需要遠(yuǎn)離 RF 輸入。
（5）敏感的模擬信號(hào)應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號(hào)和 RF 信號(hào)。

AD9361收發(fā)電路做好隔離及巴倫差分阻抗匹配

2.2 物理分區(qū)和電氣分區(qū)設(shè)計(jì)原則
設(shè)計(jì)分區(qū)可以分解為物理分區(qū)和電氣分區(qū)。物理分區(qū)主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等; 電氣分區(qū)可以繼續(xù)分解為電源分配、RF 走線、敏感電路和信號(hào)以及接地等的分區(qū)。

射頻走線及整版打孔

2.2.1 物理分區(qū)原則
（1）元器件位置布局原則。元器件布局是實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)秀 RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 最有效的技術(shù)是首先固定位于 RF 路徑上的元器件并調(diào)整其方向， 以便將RF 路徑的長度減到最小， 使輸入遠(yuǎn)離輸出， 并盡可能遠(yuǎn)地分離高功率電路和低功率電路。

RX/TX挖地或者屏蔽隔離

（2）PCB 堆疊設(shè)計(jì)原則。最有效的電路板堆疊方法是將主接地面（主地）安排在表層下的第二層，并盡可能將 RF 線布置在表層上。將 RF 路徑上的過孔尺寸減到最小， 這不僅可以減少路徑電感， 而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn)， 并可減少 RF 能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機(jī)會(huì)。

常用射頻板材型號(hào)

合理的的Ro4350射頻層疊和阻抗線寬設(shè)計(jì)

（3）射頻器件及其 RF 布線布局原則。在物理空間上， 像多級(jí)放大器這樣的線性電路通常足以將個(gè) RF 區(qū)之間相互隔離開來， 但是雙工器、混頻器和中頻放大器/ 混頻器總是有多個(gè) RF/IF 信號(hào)相互干擾， 因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與 IF 跡線應(yīng)盡可能十字交叉， 并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的 RF 路徑對(duì)整塊 PCB 的性能非常重要，這就是元器件布局通常在蜂窩電話 PCB 設(shè)計(jì)中占大部分時(shí)間的原因。

二選一電路設(shè)計(jì)需要注意開路微帶

2.2.2 電氣分區(qū)原則
（1）功率傳輸原則。蜂窩電話中大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)小， 因此， 布線寬度通常不是問題。不過， 必須為高功率放大器的電源單獨(dú)設(shè)定一條盡可能寬的大電流線， 以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗， 需要采用多個(gè)通孔來將電流從某一層傳遞到另一層。
（2）高功率器件的電源去耦。如果不能在高功率放大器的電源引腳端對(duì)它進(jìn)行充分的去耦， 那么高功率噪聲將會(huì)輻射到整塊板上， 并帶來多種的問題。高功率放大器的接地相當(dāng)關(guān)鍵， 經(jīng)常需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)金屬屏蔽罩。
（3）RF 輸入/ 輸出隔離原則。在大多數(shù)情況下，同樣關(guān)鍵的是確保 RF 輸出遠(yuǎn)離 RF 輸入。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞情況下，如果放大器和緩沖器的輸出以適當(dāng)?shù)南辔缓驼穹答伒剿鼈兊妮斎攵耍?那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。在最好情況下， 它們將能在任何溫度和電壓條件下穩(wěn)定地工作。實(shí)際上， 它們可能會(huì)變得不穩(wěn)定， 并將噪音和互調(diào)信號(hào)添加到RF 信號(hào)上。

輸入輸出需要拉開距離

3 結(jié)束語
總而言之，射頻電路因其為分布參數(shù)電路，存在趨膚效應(yīng)和耦合效應(yīng)，不同于低頻電路和直流電路。因而在進(jìn)行射頻電路PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意這些問題，從而保證電路設(shè)計(jì)的有效和準(zhǔn)確。E- Link 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸器還可用于構(gòu)建新一代的以太網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)，用以改造現(xiàn)有的由現(xiàn)場(chǎng)總線組成的分布式控制系統(tǒng)和開發(fā)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控設(shè)備。它將推動(dòng)家用電器智能化和網(wǎng)絡(luò)化，并使人們的生活方式發(fā)生深刻的變化。

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