設(shè)計(jì)射頻和微波電路，這些技巧你得懂

簡介

如今的電子產(chǎn)品已經(jīng)不再像上世紀(jì) 70 年代的電視和電冰箱一樣，消費(fèi)者每隔十年才更新?lián)Q代一次。現(xiàn)在幾乎每個(gè)家庭的每位成員都是電子產(chǎn)品的消費(fèi)者，而且隨著科技發(fā)展不斷為智慧手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、汽車和電視帶來各種人們消費(fèi)得起的新功能，人們每年都會(huì)購買新產(chǎn)品。

這些電子產(chǎn)品的共同特征之一是采用無線技術(shù)，而該技術(shù)極度依賴于RF射頻電路。遺憾的是，即使是最自信的設(shè)計(jì)人員，對(duì)于射頻電路也往往望而卻步，因?yàn)樗鼤?huì)帶來巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并且需要專業(yè)的設(shè)計(jì)和分析工具。正因?yàn)槿绱?，許多年來，PCB的射頻部分一直是由擁有射頻設(shè)計(jì)專長的獨(dú)立設(shè)計(jì)人員完成設(shè)計(jì)。

為什么設(shè)計(jì)射頻和微波 PCB 設(shè)計(jì)的難度如此之大?

該設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題非常多，并且可能對(duì)質(zhì)量和生產(chǎn)率造成嚴(yán)重影響。例如，將一名設(shè)計(jì)人員的射頻電路嵌入到其他設(shè)計(jì)人員的PCB時(shí)，由于他們往往使用不同的設(shè)計(jì)格式，因此效率必然大打折扣。此外，設(shè)計(jì)人員還經(jīng)常被迫在設(shè)計(jì)中做出更改，以便配合使用射頻電路。由于仿真往往是在射頻電路中進(jìn)行的，而不是在整個(gè)PCB 的背景下進(jìn)行，因此可能會(huì)遺漏電路板對(duì)射頻電路產(chǎn)生的顯著影響，反之亦然。

隨著射頻內(nèi)容不斷增加，PCB設(shè)計(jì)人員和工程師意識(shí)到，為提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，最好由他們在自己的設(shè)計(jì)工具內(nèi)自行解決射頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。遺憾的是，大多數(shù)桌面PCB設(shè)計(jì)工具并不能幫助他們簡化這一任務(wù)。

例如，在使用射頻仿真器對(duì)電路建模后，一旦達(dá)到所需的電氣性能，仿真器就會(huì)產(chǎn)生此電路的銅箔形狀(通常為DXF格式)，以便導(dǎo)入到PCB設(shè)計(jì)工具中。此過程往往會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來一些困擾，例如由于無法正確轉(zhuǎn)換DXF檔而導(dǎo)致不能將其轉(zhuǎn)換為銅箔形狀。這種情況下，設(shè)計(jì)人員需要手動(dòng)操作導(dǎo)入DXF檔，而這可能會(huì)在形狀尺寸方面產(chǎn)生人為錯(cuò)誤和誤差，從而導(dǎo)致射頻電路失效。

PCB設(shè)計(jì)人員或工程師在嘗試對(duì)射頻和微波電路進(jìn)行Layout設(shè)計(jì)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上述幾條。不過，好在您的設(shè)計(jì)工具中有一些小型解決方案在化解上述挑戰(zhàn)方面可發(fā)揮重要作用。本白皮書將為您介紹六條技巧，來幫助您簡化任何射頻PCB設(shè)計(jì)任務(wù)和減輕工作壓力!

1. 保持完好、精確的射頻形狀

類似前面描述的一些嚴(yán)重錯(cuò)誤可能導(dǎo)致電路性能低下，甚至無法工作。為了盡量減少錯(cuò)誤、簡化射頻設(shè)計(jì)任務(wù)以及提高生產(chǎn)率，PCB設(shè)計(jì)工具可以針對(duì)復(fù)雜的銅箔形狀提供導(dǎo)入控制。例如，您可以透過控制DXF 檔中的層別，并將其重新映像至CAD電氣系統(tǒng)層別，來建立可用的銅箔形狀(圖 1)。

圖1：設(shè)計(jì)工具如果允許使用者控制DXF 導(dǎo)入過程，將有助于減少人為錯(cuò)誤和誤差，例如在由于復(fù)雜性過高而導(dǎo)致導(dǎo)入的檔案無法轉(zhuǎn)換為銅箔形狀時(shí)。

2. 保留拐角形狀(CORNERS SHARP)

設(shè)計(jì)用于射頻和微波的銅箔形狀時(shí)，一個(gè)很重要的方面是能夠建立帶尖拐角的 Gerber檔。優(yōu)秀的PCB設(shè)計(jì)工具可以簡化這一過程。例如，使用50毫米線條繪制形狀與使用50毫米圓形光圈繪圖相比，往往令設(shè)計(jì)具有較小的半徑。設(shè)計(jì)工具在建立Gerber檔時(shí)，可透過正確地自動(dòng)轉(zhuǎn)換線條寬度來獲得尖拐角(圖 2)。

圖2：有效的PCB 設(shè)計(jì)工具會(huì)自動(dòng)考慮用于繪制形狀的線型，以計(jì)算準(zhǔn)確的線條寬度，幫助您輕松建立尖拐角。

3. 自動(dòng)產(chǎn)生倒角(CHAMFERED CORNERS)

射頻和微波電路中經(jīng)常用到倒角，以減小供給線與電容之間的分段不連續(xù)性阻抗，從而改善 MMIC 的頻率性能。90? 拐角與倒角之間的距離至關(guān)重要。因此，設(shè)計(jì)人員需要采用自動(dòng)方法來基于設(shè)計(jì)指定需要產(chǎn)生的倒角比率。PCB設(shè)計(jì)工具如果能夠基于設(shè)計(jì)規(guī)則自動(dòng)強(qiáng)制實(shí)施需要產(chǎn)生的倒角比率，設(shè)計(jì)人員和工程師將會(huì)從中受益，在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量(圖 3)。

圖3：設(shè)定倒角規(guī)則的功能可以簡化設(shè)計(jì)過程和節(jié)省時(shí)間。

4. 使用自動(dòng)化功能有助于布置COPLANAR和CHANNEL WAVEGUIDES

共面波導(dǎo)和頻道波導(dǎo)在射頻和微波設(shè)計(jì)中也很常見。采取手動(dòng)方式建立時(shí)，此項(xiàng)任務(wù)可能非常耗時(shí)，而且容易出錯(cuò)。設(shè)計(jì)人員需要控制走線與via之間的特定距離，以及一個(gè)via與另一個(gè)via之間的距離，從而確保電路具有符合設(shè)計(jì)要求的性能。設(shè)計(jì)工具在這方面也能提供幫助，即透過提供via使用控制和自動(dòng)使用via來降低復(fù)雜性和提高質(zhì)量(圖 4)。

圖4：PCB 設(shè)計(jì)工具如果能夠控制coplanar和wave-guide via的建立，將有助于顯著減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

5. 使用自動(dòng)化STITCHING VIAS

射頻設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是確保正確地利用vias屏蔽特定的區(qū)域。盡管此任務(wù)可由設(shè)計(jì)人員手動(dòng)進(jìn)行，但這個(gè)過程極其耗時(shí)。如果PCB設(shè)計(jì)工具能夠自動(dòng)完成此過程，將可以縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間并確保符合您的所有設(shè)計(jì)規(guī)則。利用此類工具，設(shè)計(jì)人員可以指定via模式產(chǎn)生特定規(guī)則，而將剩余的工作全部交由PCB設(shè)計(jì)工具完成。

6. 使用設(shè)計(jì)規(guī)則確保“設(shè)計(jì)即正確”

支持射頻設(shè)計(jì)的PCB設(shè)計(jì)工具通常允許設(shè)定多項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)則：用于不同銅箔區(qū)域的via類型;via自身需要連接到的net類型;從銅箔區(qū)域邊緣到via需要保持的距離;一個(gè)via到下一個(gè)via的距離;via模式類型;以及能否僅僅透過向銅箔區(qū)域的外緣添加via來產(chǎn)生Faraday cage(圖 5)。

圖 5：利用支持射頻設(shè)計(jì)的PCB設(shè)計(jì)工具，您可以設(shè)定用于產(chǎn)生via模式的設(shè)計(jì)規(guī)則，并自動(dòng)在您的設(shè)計(jì)中強(qiáng)制實(shí)施這些規(guī)則，從而節(jié)省您的時(shí)間和確保符合您的所有設(shè)計(jì)規(guī)則。

結(jié)論

當(dāng)今的設(shè)計(jì)人員和工程師面臨著日益加劇的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因此很有必要擁有一款能夠高效率支持射頻和微波設(shè)計(jì)的PCB 設(shè)計(jì)工具。手動(dòng)建立復(fù)雜的銅箔形狀、倒角和via模式是一個(gè)既耗時(shí)又容易出錯(cuò)的過程。透過使用有效的設(shè)計(jì)工具提高操作射頻和微波元素的能力，設(shè)計(jì)人員可以集中精力實(shí)施更多功能和縮小設(shè)備尺寸，同時(shí)保持較高的產(chǎn)品質(zhì)量。