如何將RF與數(shù)模電路設(shè)計(jì)在同一PCB上？

手持無線通信設(shè)備和遙控設(shè)備的普及推動(dòng)著對(duì)模擬、數(shù)字和RF混合設(shè)計(jì)需求的顯著增長。手持設(shè)備、基站、遙控裝置、藍(lán)牙設(shè)備、計(jì)算機(jī)無線通信功能、眾多消費(fèi)電器以及軍事/航空航天系統(tǒng)現(xiàn)需要采用RF技術(shù)。

數(shù)年來，RF設(shè)計(jì)需要專業(yè)設(shè)計(jì)人員使用專門的設(shè)計(jì)和分析工具來完成。典型情況下，PCB的RF部分由RF專業(yè)人員在獨(dú)立環(huán)境下設(shè)計(jì)好后，再與混合技術(shù)PCB的其余部分合并在一起的。這一過程的效率很低，而且為了與混合技術(shù)整合在一起，常常需要反復(fù)設(shè)計(jì)，還需要用到多個(gè)互不相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

在過去，設(shè)計(jì)功能在兩個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行和重復(fù)，并通過一個(gè)非智能的ASCII接口連接(圖1(a))。兩個(gè)環(huán)境中的PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)和RF專門設(shè)計(jì)系統(tǒng)有它們自己的庫、RF設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)存檔。這就要求兩個(gè)環(huán)境中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(原理圖和版圖)和庫通過一個(gè)繁瑣的ASCII接口進(jìn)行管理和同步。

在這一舊的方法下，RF設(shè)計(jì)師孤立于PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的其他部分進(jìn)行RF電路的開發(fā)。然后該RF電路再利用ASCII文件翻譯到總體PCB設(shè)計(jì)中，從而在主PCB上創(chuàng)建出原理圖和物理實(shí)現(xiàn)。如果RF電路存在問題，那么設(shè)計(jì)必須在獨(dú)立的RF解決方案中修正，然后再重新翻譯進(jìn)主PCB。

RF模擬器只模擬了理想的射頻電路。在實(shí)際混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中有許多零碎的地層、地過空和相鄰的RF電路，這使得分析變得非常的困難，而且誰都知道這些附加的形狀將會(huì)對(duì)RF電路運(yùn)作產(chǎn)生長久的影響。

這一舊方法多年來已成功地用于混合信號(hào)電路板設(shè)計(jì)，但隨著產(chǎn)品中RF電路含量的增加，兩個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)系統(tǒng)帶來的問題已開始影響設(shè)計(jì)師的生產(chǎn)力、產(chǎn)品上市時(shí)間和產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了解決這些問題，Mentor Graphics公司已經(jīng)開發(fā)出一種動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)，它可以將PCB原理圖和版圖工具與RF設(shè)計(jì)和模擬工具集成在一起，從而產(chǎn)生了一種新的解決方案，它可以克服傳統(tǒng)的射頻設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。

RF感知(RF aware)PCB設(shè)計(jì)

為保持PCB和RF設(shè)計(jì)間的設(shè)計(jì)意圖，RF設(shè)計(jì)工具必須理解PCB布局中面向?qū)?layer-oriented)的結(jié)構(gòu)，而PCB系統(tǒng)也必須理解RF設(shè)計(jì)環(huán)境中使用的參數(shù)化平面微波元件。

另一個(gè)關(guān)鍵問題是，PCB系統(tǒng)將RF電路的版圖構(gòu)建成短路電路，這妨礙了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)(DRC)。對(duì)當(dāng)今的復(fù)雜RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，功能上的RF感知DRC是設(shè)計(jì)方法學(xué)確保設(shè)計(jì)正確所必須的。

所有這些都對(duì)保持設(shè)計(jì)意圖有幫助。保持設(shè)計(jì)意圖非常關(guān)鍵，因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)在工具集間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的多次往返而不丟失信息的基礎(chǔ)。

RF設(shè)計(jì)是個(gè)反復(fù)的過程，需要采取很多步驟對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。過去，在真實(shí)的PCB設(shè)計(jì)背景下，進(jìn)行RF設(shè)計(jì)非常困難。當(dāng)當(dāng)在PCB上實(shí)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化的RF模塊時(shí)，仍無法保證它仍工作在最佳狀態(tài)。作為一種驗(yàn)證，需要對(duì)PCB實(shí)現(xiàn)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析(EM)。

圖1：(a) 傳統(tǒng)的RF設(shè)計(jì)流程；(b) 新的RF設(shè)計(jì)流程。

這個(gè)設(shè)計(jì)流程存在好幾個(gè)問題。首先，電路被當(dāng)作簡(jiǎn)單的金屬層幾何圖形進(jìn)行模擬，所以RF工具無法對(duì)金屬層進(jìn)行修改，無法把經(jīng)優(yōu)化的結(jié)果回送至PCB設(shè)計(jì)后仍擁有一個(gè)良好的RF電路。其次，EM方案很耗時(shí)。

在新流程中，因?yàn)镻CB工具和RF工具對(duì)設(shè)計(jì)意圖有共識(shí)，所以電路可在工具集間傳來送去而不會(huì)丟失設(shè)計(jì)意圖。這意味著電路模擬(速度很快)和EM分析(當(dāng)需要時(shí))可重復(fù)進(jìn)行，且可對(duì)每次電路修改的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。這一切是在真實(shí)PCB環(huán)境中完成的，包含了地平面、RF電路的版圖、導(dǎo)線、過孔及其它元件。

RF PCB設(shè)計(jì)瓶頸

RF PCB設(shè)計(jì)瓶頸主要有以下幾個(gè)。第一，由于PCB板上的每個(gè)RF模塊可能已經(jīng)被一個(gè)獨(dú)立的RF設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)出來，以及每個(gè)模塊可以獨(dú)立進(jìn)行升級(jí)、演變和重利用，因此將整個(gè)電路作為一個(gè)整體來管理就變得至關(guān)重要，但在任何時(shí)候仍然把這些模塊作為單獨(dú)的電路元件進(jìn)行存取。為了解決這個(gè)問題，原理圖和版圖工具必須擴(kuò)展，以支持分層分組電路。通過這一方法，即使一個(gè)RF電路已經(jīng)在PCB上布好，它仍然可以作為一個(gè)RF電路與其它模塊放在一起，并可以連接到適當(dāng)?shù)腞F設(shè)計(jì)小組進(jìn)行分析。

下一個(gè)障礙是如何設(shè)計(jì)地平面。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，采用RF金屬來作為一個(gè)黑箱金屬塊，與地的間隔是手工完成的，因?yàn)檫^空要經(jīng)過每一個(gè)地層。當(dāng)RF電路更新后(這是一個(gè)頻繁的操作)，裁掉的部分就必須手動(dòng)修改以對(duì)應(yīng)新的電路。對(duì)某些設(shè)計(jì)來說，僅這一編輯過程可能就要花幾周的時(shí)間。

新的綜合設(shè)計(jì)流程

RF設(shè)計(jì)工具和PCB設(shè)計(jì)工具之間的綜合一直以ASCII IFF格式文件的雙向轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)。該格式雖能處理部分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)無縫的反復(fù)綜合。缺少庫同步是致命的一個(gè)原因。

這種設(shè)計(jì)需求催生出了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的工具間的通信，它在RF設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)PCB設(shè)計(jì)間提供一個(gè)動(dòng)態(tài)雙向鏈接(圖1(b))。為支持并行工程處理，多個(gè)PCB工程師可同時(shí)使用同一個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，每人都能鏈接一個(gè)或多個(gè)模擬部分?，F(xiàn)在，可以采用RF設(shè)計(jì)工具來設(shè)計(jì)RF模塊，并在恰當(dāng)時(shí)候?qū)⑵渚C合為系統(tǒng)級(jí)原理圖和PCB的一部分，而不再像過去那樣僅是個(gè)難以琢磨的黑匣子電路。在此階段，可在任一環(huán)境中升級(jí)電路并模擬其效果。

將每個(gè)RF電路看作一組對(duì)象，以幫助維護(hù)可追溯性、版本管理和設(shè)計(jì)問題。因?yàn)樵O(shè)計(jì)意圖得以保全，所以可實(shí)施任意多次的設(shè)計(jì)反復(fù)，而沒有時(shí)間成本。此外，因?yàn)榭梢栽谡鎸?shí)系統(tǒng)級(jí)PCB環(huán)境中對(duì)RF模塊進(jìn)行模擬，所以應(yīng)該更詳盡地對(duì)其功能進(jìn)行驗(yàn)證以幫助縮短設(shè)計(jì)周期。