引言
射頻(RF) PCB設計, 在(zài)目前公開出(chū)版的(de)理論上(shàng)具有很多不(bù)确定性, 常被形容爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)種“黑色藝術”。通常情況下, 對于(yú)微波以(yǐ)下頻段的(de)電路( 包括低頻和(hé / huò)低頻數字電路) , 在(zài)全面掌握各類設計原則前提下的(de)仔細規劃是(shì)一(yī / yì ／yí)次性成功設計的(de)保證。對于(yú)微波以(yǐ)上(shàng)頻段和(hé / huò)高頻的(de)PC 類數字電路, 則需要(yào / yāo)2~3個(gè)版本的(de)PCB方能保證電路品質。而(ér)對于(yú)微波以(yǐ)上(shàng)頻段的(de)RF 電路, 則往往需要(yào / yāo)更多版本的(de)PCB設計并不(bù)斷完善, 而(ér)且是(shì)在(zài)具備相當經驗的(de)前提下。由此可知RF 電設計上(shàng)的(de)困難。
RF 電路設計的(de)常見問題
數字電路模塊和(hé / huò)模拟電路模塊之(zhī)間的(de)幹擾
如果模拟電路( 射頻) 和(hé / huò)數字電路單獨工作, 可能各自工作良好。但是(shì), 一(yī / yì ／yí)旦将二者放在(zài)同一(yī / yì ／yí)塊電路闆上(shàng), 使用同一(yī / yì ／yí)個(gè)電源一(yī / yì ／yí)起工作, 整個(gè)系統很可能就(jiù)不(bù)穩定。這(zhè)主要(yào / yāo)是(shì)因爲(wéi / wèi)數字信号頻繁地(dì / de)在(zài)地(dì / de)和(hé / huò)正電源( >3 V) 之(zhī)間擺動, 而(ér)且周期特别短, 常常是(shì)納秒級的(de)。由于(yú)較大(dà)的(de)振幅和(hé / huò)較短的(de)切換時(shí)間, 使得這(zhè)些數字信号包含大(dà)量且獨立于(yú)切換頻率的(de)高頻成分。在(zài)模拟部分, 從無線調諧回路傳到(dào)無線設備接收部分的(de)信号一(yī / yì ／yí)般小于(yú)1μV。因此數字信号與射頻信号之(zhī)間的(de)差别會達到(dào)120dB。顯然, 如果不(bù)能使數字信号與射頻信号很好地(dì / de)分離, 微弱的(de)射頻信号可能遭到(dào)破壞, 這(zhè)樣一(yī / yì ／yí)來(lái), 無線設備工作性能就(jiù)會惡化, 甚至完全不(bù)能工作。
供電電源的(de)噪聲幹擾
射頻電路對于(yú)電源噪聲相當敏感, 尤其是(shì)對毛刺電壓和(hé / huò)其他(tā)高頻諧波。微控制器會在(zài)每個(gè)内部時(shí)鍾周期内短時(shí)間突然吸入大(dà)部分電流, 這(zhè)是(shì)由于(yú)現代微控制器都采用CMOS 工藝制造。因此, 假設一(yī / yì ／yí)個(gè)微控制器以(yǐ)1MHz 的(de)内部時(shí)鍾頻率運行, 它将以(yǐ)此頻率從電源提取電流。如果不(bù)采取合适的(de)電源去耦, 必将引起電源線上(shàng)的(de)電壓毛刺。如果這(zhè)些電壓毛刺到(dào)達電路RF部分的(de)電源引腳, 嚴重時(shí)可能導緻工作失效。
不(bù)合理的(de)地(dì / de)線
如果RF 電路的(de)地(dì / de)線處理不(bù)當, 可能産生一(yī / yì ／yí)些奇怪的(de)現象。對于(yú)數字電路設計, 即使沒有地(dì / de)線層,大(dà)多數數字電路功能也(yě)表現良好。而(ér)在(zài)RF 頻段, 即使一(yī / yì ／yí)根很短的(de)地(dì / de)線也(yě)會如電感器一(yī / yì ／yí)樣作用。粗略地(dì / de)計算, 每毫米長度的(de)電感量約爲(wéi / wèi)1 nH, 433 MHz 時(shí)10 mm PCB 線路的(de)感抗約27Ω。如果不(bù)采用地(dì / de)線層, 大(dà)多數地(dì / de)線将會較長, 電路将無法具有設計的(de)特性。
天線對其他(tā)模拟電路部分的(de)輻射幹擾
在(zài)PCB電路設計中, 闆上(shàng)通常還有其他(tā)模拟電路。例如, 許多電路上(shàng)都有模/數轉換(ADC)或數/模轉換器(DAC)。射頻發送器的(de)天線發出(chū)的(de)高頻信号可能會到(dào)達ADC的(de)模拟輸入端。因爲(wéi / wèi)任何電路線路都可能如天線一(yī / yì ／yí)樣發出(chū)或接收RF信号。如果ADC輸入端的(de)處理不(bù)合理, RF信号可能在(zài)ADC輸入的(de)ESD二極管内自激, 從而(ér)引起ADC偏差。
RF 電路設計原則及方案
RF 布局概念
在(zài)設計RF 布局時(shí), 必須優先滿足以(yǐ)下幾個(gè)總原則:
( 1) 盡可能地(dì / de)把高功率RF放大(dà)器(HPA)和(hé / huò)低噪音放大(dà)器(LNA)隔離開來(lái), 簡單地(dì / de)說(shuō), 就(jiù)是(shì)讓高功率RF發射電路遠離低功率RF 接收電路;
( 2) 确保PCB闆上(shàng)高功率區至少有一(yī / yì ／yí)整塊地(dì / de),最好上(shàng)面沒有過孔, 當然, 銅箔面積越大(dà)越好;
( 3) 電路和(hé / huò)電源去耦同樣也(yě)極爲(wéi / wèi)重要(yào / yāo);
( 4)RF 輸出(chū)通常需要(yào / yāo)遠離RF輸入;
( 5) 敏感的(de)模拟信号應該盡可能遠離高速數字信号和(hé / huò)RF信号。
物理分區和(hé / huò)電氣分區設計原則
設計分區可以(yǐ)分解爲(wéi / wèi)物理分區和(hé / huò)電氣分區。物理分區主要(yào / yāo)涉及元器件布局、方向和(hé / huò)屏蔽等; 電氣分區可以(yǐ)繼續分解爲(wéi / wèi)電源分配、RF走線、敏感電路和(hé / huò)信号以(yǐ)及接地(dì / de)等的(de)分區。
物理分區原則
( 1) 元器件位置布局原則。元器件布局是(shì)實現一(yī / yì ／yí)個(gè)優秀RF設計的(de)關鍵, 最有效的(de)技術是(shì)首先固定位于(yú)RF路徑上(shàng)的(de)元器件并調整其方向, 以(yǐ)便将RF路徑的(de)長度減到(dào)最小, 使輸入遠離輸出(chū), 并盡可能遠地(dì / de)分離高功率電路和(hé / huò)低功率電路。
( 2) PCB堆疊設計原則。最有效的(de)電路闆堆疊方法是(shì)将主接地(dì / de)面(主地(dì / de))安排在(zài)表層下的(de)第二層,并盡可能将RF線布置在(zài)表層上(shàng)。将RF路徑上(shàng)的(de)過孔尺寸減到(dào)最小, 這(zhè)不(bù)僅可以(yǐ)減少路徑電感, 而(ér)且還可以(yǐ)減少主地(dì / de)上(shàng)的(de)虛焊點, 并可減少RF能量洩漏到(dào)層疊闆内其他(tā)區域的(de)機會。
( 3) 射頻器件及其RF布線布局原則。在(zài)物理空間上(shàng), 像多級放大(dà)器這(zhè)樣的(de)線性電路通常足以(yǐ)将多個(gè)RF區之(zhī)間相互隔離開來(lái), 但是(shì)雙工器、混頻器和(hé / huò)中頻放大(dà)器/混頻器總是(shì)有多個(gè)RF/IF 信号相互幹擾, 因此必須小心地(dì / de)将這(zhè)一(yī / yì ／yí)影響減到(dào)最小。RF與IF迹線應盡可能十字交叉, 并盡可能在(zài)它們之(zhī)間隔一(yī / yì ／yí)塊地(dì / de)。正确的(de)RF路徑對整塊PCB的(de)性能非常重要(yào / yāo),這(zhè)就(jiù)是(shì)元器件布局通常在(zài)蜂窩電話PCB設計中占大(dà)部分時(shí)間的(de)原因。
( 4) 降低高/低功率器件幹擾耦合的(de)設計原則。在(zài)蜂窩電話PCB上(shàng), 通常可以(yǐ)将低噪音放大(dà)器電路放在(zài)PCB的(de)某一(yī / yì ／yí)面, 而(ér)将高功率放大(dà)器放在(zài)另一(yī / yì ／yí)面, 并最終通過雙工器把它們在(zài)同一(yī / yì ／yí)面上(shàng)連接到(dào)RF端和(hé / huò)基帶處理器端的(de)天線上(shàng)。要(yào / yāo)用技巧來(lái)确保通孔不(bù)會把RF能量從闆的(de)一(yī / yì ／yí)面傳遞到(dào)另一(yī / yì ／yí)面, 常用的(de)技術是(shì)在(zài)二面都使用盲孔。可以(yǐ)通過将通孔安排在(zài)PCB闆二面都不(bù)受RF幹擾的(de)區域來(lái)将通孔的(de)不(bù)利影響減到(dào)最小。
電氣分區原則
( 1) 功率傳輸原則。蜂窩電話中大(dà)多數電路的(de)直流電流都相當小, 因此, 布線寬度通常不(bù)是(shì)問題。不(bù)過, 必須爲(wéi / wèi)高功率放大(dà)器的(de)電源單獨設定一(yī / yì ／yí)條盡可能寬的(de)大(dà)電流線, 以(yǐ)将傳輸壓降減到(dào)最低。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)避免太多電流損耗, 需要(yào / yāo)采用多個(gè)通孔來(lái)将電流從某一(yī / yì ／yí)層傳遞到(dào)另一(yī / yì ／yí)層。
( 2) 高功率器件的(de)電源去耦。如果不(bù)能在(zài)高功率放大(dà)器的(de)電源引腳端對它進行充分的(de)去耦, 那麽高功率噪聲将會輻射到(dào)整塊闆上(shàng), 并帶來(lái)多種的(de)問題。高功率放大(dà)器的(de)接地(dì / de)相當關鍵, 經常需要(yào / yāo)爲(wéi / wèi)其設計一(yī / yì ／yí)個(gè)金屬屏蔽罩。
( 3)RF 輸入/輸出(chū)隔離原則。在(zài)大(dà)多數情況下,同樣關鍵的(de)是(shì)确保RF 輸出(chū)遠離RF 輸入。這(zhè)也(yě)适用于(yú)放大(dà)器、緩沖器和(hé / huò)濾波器。在(zài)最壞情況下, 如果放大(dà)器和(hé / huò)緩沖器的(de)輸出(chū)以(yǐ)适當的(de)相位和(hé / huò)振幅反饋到(dào)它們的(de)輸入端, 那麽它們就(jiù)有可能産生自激振蕩。在(zài)最好情況下, 它們将能在(zài)任何溫度和(hé / huò)電壓條件下穩定地(dì / de)工作。實際上(shàng), 它們可能會變得不(bù)穩定, 并将噪音和(hé / huò)互調信号添加到(dào)RF 信号上(shàng)。
( 4) 濾波器輸入/輸出(chū)隔離原則。如果射頻信号線不(bù)得不(bù)從濾波器的(de)輸入端繞回輸出(chū)端, 那麽, 這(zhè)可能會嚴重損害濾波器的(de)帶通特性。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)使輸入和(hé / huò)輸出(chū)良好地(dì / de)隔離, 首先必須在(zài)濾波器周圍布置一(yī / yì ／yí)圈地(dì / de), 其次濾波器下層區域也(yě)要(yào / yāo)布置一(yī / yì ／yí)塊地(dì / de), 并與圍繞濾波器的(de)主地(dì / de)連接起來(lái)。把需要(yào / yāo)穿過濾波器的(de)信号線盡可能遠離濾波器引腳也(yě)是(shì)個(gè)好方法。此外, 整塊闆上(shàng)各個(gè)地(dì / de)方的(de)接地(dì / de)都要(yào / yāo)十分小心, 否則可能會在(zài)不(bù)知覺之(zhī)中引入一(yī / yì ／yí)條不(bù)希望發生的(de)耦合通道(dào)。
(5) 數字電路和(hé / huò)模拟電路隔離。在(zài)所有PCB設計中, 盡可能将數字電路遠離模拟電路是(shì)一(yī / yì ／yí)條總的(de)原則, 它同樣适用于(yú)RF PCB設計。公共模拟地(dì / de)和(hé / huò)用于(yú)屏蔽和(hé / huò)隔開信号線的(de)地(dì / de)通常是(shì)同等重要(yào / yāo)的(de), 由于(yú)疏忽而(ér)引起的(de)設計更改将可能導緻即将完成的(de)設計又必須推倒重來(lái)。同樣應使RF線路遠離模拟線路和(hé / huò)一(yī / yì ／yí)些很關鍵的(de)數字信号, 所有的(de)RF走線、焊盤和(hé / huò)元件周圍應盡可能多地(dì / de)填接地(dì / de)銅皮, 并盡可能與主地(dì / de)相連。如果RF 走線必須穿過信号線, 那麽盡量在(zài)它們之(zhī)間沿着RF 走線布置一(yī / yì ／yí)層與主地(dì / de)相連的(de)地(dì / de)。如果不(bù)可能, 一(yī / yì ／yí)定要(yào / yāo)保證它們是(shì)十字交叉的(de), 這(zhè)可将容性耦合減到(dào)最小, 同時(shí)盡可能在(zài)每根RF走線周圍多布一(yī / yì ／yí)些地(dì / de), 并把它們連到(dào)主地(dì / de)。此外, 将并行RF走線之(zhī)間的(de)距離減到(dào)最小可使感性耦合減到(dào)最小。
結束語
迅速發展的(de)射頻集成電路爲(wéi / wèi)從事各類無線通信的(de)工程技術人(rén)員提供了(le／liǎo)廣闊的(de)前景。但同時(shí), 射頻電路的(de)設計要(yào / yāo)求設計者具有一(yī / yì ／yí)定的(de)實踐經驗和(hé / huò)工程設計能力。本文總結的(de)一(yī / yì ／yí)些經驗可以(yǐ)幫助射頻集成電路開發者縮短開發周期, 避免走不(bù)必要(yào / yāo)的(de)彎路, 節省人(rén)力物力。