#1楼主：射频电路板设计技巧

文章发表于：2007-09-07 09:05

射频电路板设计技巧
成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的仔细的规划并对每个设计步骤的进展进行全面持续的评估而这种细致的设计技巧正是国内大多数电子企业文化所欠缺的
近几年来由于蓝芽设备无线局域网络(WLAN)设备和行动电话的需求与成长促使业者越来越关注RF电路设计的技巧从过去到现在RF电路板设计如同电磁干扰(EMI)问题一样一直是工程师们最难掌控的部份甚至是梦魇若想要一次就设计成功必须事先仔细规划和注重细节才能奏效
射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性因此常被形容为一种黑色艺术(black art) 但这只是一种以偏盖全的观点RF电路板设计还是有许多可以遵循的法则不过在实际设计时真正实用的技巧是当这些法则因各种限制而无法实施时如何对它们进行折衷处理重要的RF设计课题包括阻抗和阻抗匹配绝缘层材料和层迭板波长和谐波...等本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题
微过孔的种类
电路板上不同性质的电路必须分隔但是又要在不产生电磁干扰的最佳情况下连接这就需要用到微过孔(microvia)通常微过孔直径为0.05mm至0.20mm这些过孔一般分为三类即盲孔(blind via)埋孔(bury via)和通孔(through via)盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面具有一定深度用于表层线路和下面的内层线路的连接孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔它不会延伸到线路板的表面上述两类孔都位于线路板的内层层压前利用通孔成型制程完成在过孔形成过程中可能还会重迭做好几个内层第三种称为通孔这种孔穿过整个线路板可用于实现内部互连或作为组件的黏着定位孔

采用分区技巧
在设计RF电路板时应尽可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来简单的说RF接就是让高功率RF发射电路远离低功率收电路如果PCB板上有很多空间那幺可以很容易地做到这一点但通常零组件很多时PCB空间就会变的很小因此这是很难达到的可以把它们放在PCB板的两面或者让它们交替工作而不是同时工作高功率电路有时还可包括RF缓冲器(buffer)和压控振荡器(VCO)
设计分区可以分成实体分区(physical partitioning)和电气分区(Electrical partitioning)实体分区主要涉及零组件布局方位和屏蔽等问题电气分区可以继续分成电源分配RF走线敏感电路和信号接地等分区
实体分区
零组件布局是实现一个优异RF设计的关键最有效的技术是首先固定位于RF路径上的零组件并调整其方位使RF路径的长度减到最小并使RF输入远离RF输出并尽可能远离高功率电路和低功率电路
最有效的电路板堆栈方法是将主接地安排在表层下的第二层并尽可能将RF线走在表层上将RF路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感而且还可以减少主接地上的虚焊点并可减少RF能量泄漏到层迭板内其它区域的机会

在实体空间上像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个RF区之间相互隔离开来但是双工器混频器和中频放大器总是有多个RF/IF信号相互干扰因此必须小心地将这一影响减到最小RF与IF走线应尽可能走十字交叉并尽可能在它们之间隔一块接地面积正确的RF路径对整块PCB板的性能而言非常重要这也就是为什幺零组件布局通常在行动电话PCB板设计中占大部份时间的原因
在行动电话PCB板上通常可以将低噪音放大器电路放在PCB板的某一面而高功率放大器放在另一面并最终藉由双工器在同一面上将它们连接到RF天线的一端和基频处理器的另一端这需要一些技巧来确保RF能量不会藉由过孔从板的一面传递到另一面常用的技术是在两面都使用盲孔可以藉由将盲孔安排在PCB板两面都不受RF干扰的区域来将过孔的不利影响减到最小
金属屏蔽罩
有时不太可能在多个电路区块之间保留足够的区隔在这种情况下就必须考虑采用金属屏蔽罩将射频能量屏蔽在RF区域内但金属屏蔽罩也有副作用例如制造成本和装配成本都很高
外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精密度长方形或正方形金属屏蔽罩又使零组件布局受到一些限制金属屏蔽罩不利于零组件更换和故障移位由于金属屏蔽罩必须焊在接地面上而且必须与零组件保持一个适当的距离因此需要占用宝贵的PCB板空间
尽可能保证金属屏蔽罩的完整非常重要所以进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层而且最好将信号线路层的下一层设为接地层RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口处
的布线层走线出去不过缺口处周围要尽可能被广大的接地面积包围不同信号层上的接地可藉由多个过孔连在一起
尽管有以上的缺点但是金属屏蔽罩仍然非常有效而且常常是隔离关键电路的唯一解决方案
电源去耦电路
此外恰当而有效的芯片电源去耦(decouple)电路也非常重要许多整合了线性线路的RF芯片对电源的噪音非常敏感通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来滤除全部的电源噪音(图一)
最小电容值通常取决于电容本身的谐振频率和接脚电感C4的值就是据此选择的C3和C2的值由于其自身接脚电感的关系而相对比较大从而RF去耦效果要差一些不过它们较适合于滤除较低频率的噪音信号RF去耦则是由电感L1完成的它使RF信号无法从电源线耦合到芯片中因为所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发射RF信号的天线所以将射频信号与关键线路零组件隔离是必须的
图一 芯片电源去耦电路
这些去耦组件的实体位置通常也很关键这几个重要组件的布局原则是C4要尽可能靠近IC接脚并接地C3必须最靠近C4C2必须最靠近C3而且IC接脚与C4的连接走线要尽可能短这几个组件的接地端(尤其是C4)通常应当藉由板面下第一个接地层与芯片的接地脚相连将组件与接地层相连的过孔应该尽可能靠近PCB板上

的组件焊盘最好是使用打在焊盘上的盲孔将连接线电感减到最小电感L1应该靠近C1
一个集成电路或放大器常常具有一个开集极(open collector)输出因此需要一个上拉电感(pullup inductor)来提供一个高阻抗RF负载和一个低阻抗直流电源同样的原则也适用于对这一电感的电源端进行去耦有些芯片需要多个电源才能工作因此可能需要两到三套电容和电感来分别对它们进行去耦处理如果该芯片周围没有足够的空间那幺去耦效果可能不佳
尤其需要特别注意的是:电感极少平行靠在一起因为这将形成一个空芯变压器并相互感应产生干扰信号因此它们之间的距离至少要相当于其中之一的高度或者成直角排列以使其互感减到最小
电气分区
电气分区原则上与实体分区相同但还包含一些其它因素现代行动电话的某些部份采用不同工作电压并借助软件对其进行控制以延长电池工作寿命这意味着行动电话需要运行多种电源而这产生更多的隔离问题电源通常由连接线(connector)引入并立即进行去耦处理以滤除任何来自电路板外部的噪音然后经过一组开关或稳压器之后进行电源分配
在行动电话里大多数电路的直流电流都相当小因此走线宽度通常不是问题不过必须为高功率放大器的电源单独设计出一条尽可能宽的大电流线路以使发射时的压降(voltage drop)能减到最低为了避免太多电流损耗需要利用多个过孔将电流从某一层传递到另一层此外如果不能在高功率放大器的电源接脚端对它进行充分的去耦那幺高功率噪音将会辐射到整块电路板上并带来各种各样的问题高功率放大器的接地相当重要并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩

RF输出必须远离RF输入
在大多数情况下必须做到RF输出远离RF输入这原则也适用于放大器缓冲器和滤波器在最坏的情况下如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的输入端那幺它们就有可能产生自激振荡它们可能会变得不稳定并将噪音和互调相乘信号(intermodulation products)添加到RF信号上
如果射频信号线从滤波器的输入端绕回输出端这可能会严重损害滤波器的带通特性为了使输入和输出得到良好的隔离首先在滤波器周围必须是一块主接地面积其次滤波器下层区域也必须是一块接地面积并且此接地面积必须与围绕滤波器的主接地连接起来把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器接脚也是个好方法此外整块电路板上各个地方的接地都要十分小心否则可能会在不知不觉中引入一条不希望发生的耦合信道(图二)详细说明了这一接地办法
有时可以选择走单端(single-ended)或平衡的RF信号线(balanced RF traces)有关串音(crosstalk)和EMC/EMI的原则在这里同样适用平衡RF信号线如果走线正确的话可以减少噪音和串音但是它们的阻抗通常比较高而且为了得到一个阻抗匹配的信号源走线和负载需要保持一个合理的线宽这在实际布线时可能会有困难

缓冲器
缓冲器可以用来提高隔离效果因为它可把同一个信号分为两个部份并用于驱动不同的电路尤其是本地振荡器可能需要缓冲器来驱动多个混频器当混频器在RF频率处到达共模隔离(common mode isolation)状态时它将无法正常工作缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化从而电路之间不会相互干扰
图二 滤波器四周被接地面绿色区域包围
缓冲器对设计的帮助很大它们可以紧跟在需要被驱动电路的后面从而使高功率输出走线非常短由于缓冲器的输入信号电平比较低因此它们不易对板上的其它电路造成干扰
压控振荡器
压控振荡器(VCO)可将变化的电压转换为变化的频率这一特性被用于高速频道切换但它们同样也将控制电压上的微量噪音转换为微小的频率变化而这就给RF信号增加了噪音总之在压控振荡器处理过以后再也没有办法从RF输出信号中将噪音去掉困难在于VCO控制线(control line)的期望频宽范围可能从DC到2MHz而藉由滤波器来去掉这幺宽的频带噪音几乎是不可能的其次VCO控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部份它在很多地方都有可能引入噪音因此必须非常小心处理VCO控制线
谐振电路
谐振电路(tank circuit)用于发射机和接收机它与VCO有关但也有它自己的特点简单地说谐振电路是由一连串具有电感电容的二极管并连而成的谐振电路它有助于设定VCO工作频率和将语音或数据调变到RF载波上
所有VCO的设计原则同样适用于谐振电路由于谐振电路含有数量相当多的零组件占据面积大通常运行在一个很高的RF频率下因此谐振电路通常对噪音非常敏感信号通常排列在芯片的相邻接脚上但这些信号接脚又需要与较大的电感和电容配合才能工作这反而需要将这些电感和电容的位置尽量靠近信号接脚并连回到一个对噪音很敏感的控制环路上但是又要尽量避免噪音的干扰要做到这点是不容易的
自动增益控制放大器
自动增益控制(AGC)放大器同样是一个容易出问题的地方不管是发射还是接收电路都会有AGC放大器AGC放大器通常能有效地滤掉噪音不过由于行动电话具备处理发射和接收信号强度快速变化的能力因此要求AGC电路有一个相当大的频宽这就使AGC放大器很容易引入噪音
设计AGC线路必须遵守模拟电路的设计原则亦即使用很短的输入接脚和很短的反馈路径而且这两处都必须远离RFIF或高速数字信号线路同样良好的接地也必不可少而且芯片的电源必须得到良好的去耦如果必须在输入或输出端设计一条长的走线那幺最好是选择在输出端实现它因为通常输出端的阻抗要比输入端低得多而且也不容易引入噪音通常信号电平越高就越容易将噪音引入到其它电路中
接地
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要确保RF走线下层的接地是实心的而且所有的零组件都要牢固地连接到主接地上并与其它可能带来噪音的走线隔离开来此外要确保VCO的电源已得到充分去耦由于VCO的RF输出往往是一个相当高的电平VCO输出信号很容易干扰其它电路因此必须对VCO加以特别注意事实上VCO往往放在RF区域的末端有时它还需要一个金属屏蔽罩
在所有PCB设计中尽可能将数字电路远离模拟电路是一个大原则它同样也适用于RF PCB设计公共模拟接地和用于屏蔽和隔开信号线的接地通常是同等重要的同样应使RF线路远离模拟线路和一些很关键的数字信号所有的RF走线焊盘和组件周围应尽可能是接地铜皮并尽可能与主接地相连微型过孔microvia构造板在RF线路开发阶段很有用它毋须花费任何开销就可随意使用很多过孔否则在普通PCB板上钻孔将会增加开发成本这在大批量产时是不经济的
将一个实心的整块接地面直接放在表面下第一层时隔离效果最好将接地面分成几块来隔离模拟数字和RF线路时其效果并不好因为最终总是有一些高速信号线要穿过这些分开的接地面这不是很好的设计
还有许多与信号和控制线相关的课题需要特别注意但它们超出了本文探讨的范围