淺談無線射頻（RF）的PCB設(shè)計(jì)

1. 引言

迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事各類無線通信的工程技術(shù)人員提供了廣闊的前景。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l nH，433 MHz時(shí)10 toni PCB線路的感抗約27Ω。如果不采用地線層，大多數(shù)地線將會較長，電路將無法具有設(shè)計(jì)的特性。由此可知RF電路設(shè)計(jì)上的困難。

2. RF電路設(shè)計(jì)的常見問題

2.1 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)備接收部分的信號一般小于lμV。因此數(shù)字信號與射頻信號之間的差別會達(dá)到120 dB。顯然.如果不能使數(shù)字信號與射頻信號很好地分離。微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來，無線設(shè)備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。

2.2 供電電源的噪聲干擾

射頻電路對于電源噪聲相當(dāng)敏感，尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸人大部分電流，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lMHz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。

2.3 天線對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)出的高頻信號可能會到達(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。如果ADC輸入端的處理不合理，RF信號可能在ADC輸入的 ESD二極管內(nèi)自激。從而引起ADC偏差。

3. RF電路設(shè)計(jì)原則及方案

3.1 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：

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：

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;

電路和電源去耦同樣也極為重要;

RF輸出通常需要遠(yuǎn)離RF輸入;

敏感的模擬信號應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號和RF信號。

3.2 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、敏感電路和信號以及接地等的分區(qū)。

3.2.1物理分區(qū)原則

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。

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。

射頻器件及其RF布線布局原則。在物理空間上，像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個(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。

降低高/低功率器件干擾耦合的設(shè)計(jì)原則。在蜂窩電話PCB上，通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB的某一面，而將高功率放大器放在另一面，并最終通過雙工器把它們在同一面上連接到RF端和基帶處理器端的天線上。要用技巧來確保通孔不會把RF能量從板的一面?zhèn)鬟f到另一面，常用的技術(shù)是在二面都使用盲孔。可以通過將通孔安排在PCB板二面都不受RF干擾的區(qū)域來將通孔的不利影響減到最小。

3.2.2電氣分區(qū)原則

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。

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它進(jìn)行充分的去耦，那么高功率噪聲將會輻射到整塊板上，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。

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?，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。它們可能會變得不穩(wěn)定，并將噪音和互調(diào)信號添加到RF信號上。

濾波器輸入，輸出隔離原則。如果射頻信號線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端，那么，這可能會嚴(yán)重?fù)p害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出良好地隔離。首先必須在濾波器周圍布置一圈地。其次濾波器下層區(qū)域也要布置一塊地，并與圍繞濾波器的主地連接起來。把需要穿過濾波器的信號線盡可能遠(yuǎn)離濾波器引腳也是個(gè)好方法。此外，整塊板上各個(gè)地方的接地都要十分小心，否則可能會在不知覺之中引入一條不希望發(fā)生的耦合通道。

數(shù)字電路和模擬電路隔離。在所有PCB設(shè)計(jì)中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一條總的原則，它同樣適用于RF PCB設(shè)計(jì)。公共模擬地和用于屏蔽和隔開信號線的地通常是同等重要的，由于疏忽而引起的設(shè)計(jì)更改將可能導(dǎo)致即將完成的設(shè)計(jì)又必須推倒重來。同樣應(yīng)使RF線路遠(yuǎn)離模擬線路和一些很關(guān)鍵的數(shù)字信號.所有的RF走線、焊盤和元件周圍應(yīng)盡可能多地填接地銅皮.并盡可能與主地相連。如果RF走線必須穿過信號線，那么盡量在它們之間沿著RF走線布置一層與主地相連的地。如果不可能，一定要保證它們是十字交叉的.這可將容性耦合減到最小，同時(shí)盡可能在每根RF走線周圍多布一些地，并把它們連到主地。此外。將并行RF走線之間的距離減到最小可使感性耦合減到最小。

4. 結(jié)束語

射頻電路的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)能力。本文總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)可以幫助射頻集成電路開發(fā)者縮短開發(fā)周期.避免走不必要的彎路，節(jié)省人力物力。