【導(dǎo)讀】如何在PCB的設(shè)計(jì)過(guò)程中，權(quán)衡利弊尋求一個(gè)合適的折中點(diǎn)，盡可能地減少這些干擾，甚至能夠避免部分電路的干涉，是射頻電路PCB設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。本文從PCB的LAYOUT角度，提供了一些處理的技巧，對(duì)提高射頻電路的抗干擾能力有較大的用處。
由于射頻(RF)電路為分布參數(shù)電路，在電路的實(shí)際工作中容易產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和耦合效應(yīng)，所以在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)電路中的干擾輻射難以控制，如：數(shù)字電路和模擬電路之間相互干擾、供電電源的噪聲干擾、地線不合理帶來(lái)的干擾等問(wèn)題。正因?yàn)槿绱耍绾卧赑CB的設(shè)計(jì)過(guò)程中，權(quán)衡利弊尋求一個(gè)合適的折中點(diǎn)，盡可能地減少這些干擾，甚至能夠避免部分電路的干涉，是射頻電路PCB設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。文中從PCB的LAYOUT角度，提供了一些處理的技巧，對(duì)提高射頻電路的抗干擾能力有較大的用處。
1、RF布局
這里討論的主要是多層板的元器件位置布局。元器件位置布局的關(guān)鍵是固定位于RF路徑上的元器件，通過(guò)調(diào)整其方向，使RF路徑的長(zhǎng)度最小，并使輸入遠(yuǎn)離輸出，盡可能遠(yuǎn)地分離高功率電路和低功率電路，敏感的模擬信號(hào)遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)。
在布局中常采用以下一些技巧。
1.1 一字形布局
RF主信號(hào)的元器件盡可能采用一字形布局，如圖1所示。但是由于PCB板和腔體空間的限制，很多時(shí)候不能布成一字形，這時(shí)候可采用L形，最好不要采用U字形布局(如圖2所示)，有時(shí)候?qū)嵲诒苊獠涣说那闆r下，盡可能拉大輸入和輸出之間的距離，至少1.5cm以上。
圖1 一字形布局
圖2 L形和U字形布局
另外在采用L形或U字形布局時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)最好不要?jiǎng)傔M(jìn)入接口就轉(zhuǎn)，如圖3左所示，而是在稍微有段直線以后再轉(zhuǎn)，如圖3右圖所示。
圖3 兩種方案
1.2 相同或?qū)ΨQ布局
相同的模塊盡可能做成相同的布局或?qū)ΨQ的布局，如圖4、圖5所示。
圖4 相同布局
圖5 對(duì)稱布局
1.3 十字形布局
偏置電路的饋電電感與RF通道垂直放置，如圖6所示，主要是為了避免感性器件之間的互感。
圖6 十字形布局
1.4 45度布局
為合理的利用空間，可以將器件45度方向布局，使射頻線盡可能短，如圖7所示。
圖7 45度布局
2、RF布線
布線的總體要求是：RF信號(hào)走線短且直，減少線的突變，少打過(guò)孔，不與其它信號(hào)線相交，RF信號(hào)線周邊盡量多加地過(guò)孔。
以下是一些常用的優(yōu)化方式：
2.1 漸變線處理
在射頻線寬比IC器件管腳的寬度大比較多的情況下，接觸芯片的線寬采用漸變方式，如圖8所示。
圖8 漸變線
2.2 圓弧線處理
射頻線不能直的情況下，作圓弧線處理，這樣可以減少RF信號(hào)對(duì)外的輻射和相互問(wèn)的耦合。有實(shí)驗(yàn)證明，傳輸線的拐角采用變曲的直角，能最大限度的降低回?fù)p。如圖9所示。
圖9 圓弧線
2.3 地線和電源
地線盡可能粗。在有條件的情況下，PCB的每一層都盡可能的鋪地，并使地連到主地上，多打地過(guò)孔，盡量降低地線阻抗。
RF電路的電源盡量不要采用平面分割，整塊的電源平面不但增加了電源平面對(duì)RF信號(hào)的輻射，而且也容易被RF信號(hào)的干擾。所以電源線或平面一般采用長(zhǎng)條形狀，根據(jù)電流的大小進(jìn)行處理，在滿足電流能力的前提下盡可能粗，但是又不能無(wú)限制的增寬。在處理電源線的時(shí)候，一定要避免形成環(huán)路。
電源線和地線的方向要與RF信號(hào)的方向保持平行但不能重疊，在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。
2.4 十字交叉處理
RF信號(hào)與IF信號(hào)走線十字交叉，并盡可能在他們之間隔一塊地。
RF信號(hào)與其他信號(hào)走線交叉時(shí)，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。這里的其他信號(hào)走線也包括電源線。
2.5 包地處理
對(duì)射頻信號(hào)、干擾源、敏感信號(hào)及其他重要信號(hào)進(jìn)行包地處理，這樣既可以提高該信號(hào)的抗干擾能力，也可以減少該信號(hào)對(duì)其他信號(hào)的干擾。如圖10所示。
圖10 包地處理
2.6 銅箔處理
銅箔處理要求圓滑平整，不允許有長(zhǎng)線或尖角，若不能避免，則在尖角、細(xì)長(zhǎng)銅箔或銅箔的邊緣處補(bǔ)幾個(gè)地過(guò)孔。
2.7 間距處理
射頻線離相鄰地平面邊緣至少要有3W的寬度，且3W范圍內(nèi)不得有非接地過(guò)孔。
圖11 間距
同層的射頻線要作包地處理，并在地銅皮上加地過(guò)孔，孔間距應(yīng)小于信號(hào)頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)(λ)的1／20，均勻排列整齊。包地銅皮邊緣離射頻線2W的寬度或3H的高度，H表示相鄰介質(zhì)層的總厚度。
3、腔體處理
對(duì)整個(gè)RF電路，應(yīng)把不同模塊的射頻單元用腔體隔離，特別是敏感電路和強(qiáng)烈輻射源之間，在大功率的多級(jí)放大器中，也應(yīng)保證級(jí)與級(jí)之間的隔離。整個(gè)電路支流放置好后，就是對(duì)屏蔽腔的處理，屏蔽腔體的處理有以下注意事項(xiàng)：
整個(gè)屏蔽腔體盡量做成規(guī)則形狀，便于鑄模。對(duì)于每一個(gè)屏蔽腔盡量做成長(zhǎng)方形，避免正方形的屏蔽腔。
屏蔽腔的轉(zhuǎn)角采用弧形，屏蔽金屬腔體一般采用鑄造成型，弧形的拐角便于鑄造成型時(shí)候拔模。如圖12所示。
圖12 腔體
屏蔽腔體的周邊是密封的，接口的線引入腔體一般采用帶狀線或微帶線，而腔體內(nèi)部不同模塊采用微帶線，不同腔體相連處采用開槽處理，開槽的寬度為3mm，微帶線走在正中間。
腔體的拐角放置3mm的金屬化孔，用來(lái)固定屏蔽殼，在每支長(zhǎng)的腔體上也要均勻放置同等的金屬化孔，用來(lái)加固支撐作用。
腔體一般做開窗處理，便于焊接屏蔽殼，腔體上一般厚2 mm以上，腔體上加2排開窗過(guò)孔屏，過(guò)孔相互錯(cuò)開，同一排過(guò)孔之間間距150MIL。
4、結(jié)束語(yǔ)
射頻電路PCB設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵在于如何減少電路輻射，從而提高抗干擾能力，但是在實(shí)際的布局與布線中一些問(wèn)題的處理是相沖突的，因此如何尋求一個(gè)折中點(diǎn)，使整個(gè)射頻電路的綜合性能達(dá)到最優(yōu)，是設(shè)計(jì)者必須要考慮的問(wèn)題。所有這些都要求設(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，但是要具備這些能力，每一個(gè)設(shè)計(jì)者都不可能一蹴而就的，只有從其他人那里借鑒經(jīng)驗(yàn)，加上自己的不停摸索和思考，才能不斷進(jìn)步。本文總結(jié)工作中的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有利于提高射頻電路PCB的抗干擾能力，幫助射頻電路設(shè)計(jì)初學(xué)者少走不必要的彎路。
PCB射頻電路四大基礎(chǔ)特性
此處將從射頻界面、小的期望信號(hào)、大的干擾信號(hào)、相鄰頻道的干擾四個(gè)方面解讀射頻電路四大基礎(chǔ)特性，并給出了在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意的重要因素。
射頻電路仿真之射頻的界面
無(wú)線發(fā)射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個(gè)部份。基頻包含發(fā)射器的輸入信號(hào)之頻率范圍，也包含接收器的輸出信號(hào)之頻率范圍。基頻的頻寬決定了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動(dòng)的基本速率。基頻是用來(lái)改善數(shù)據(jù)流的可靠度，并在特定的數(shù)據(jù)傳輸率之下，減少發(fā)射器施加在傳輸媒介（transmission medium）的負(fù)荷。因此，PCB設(shè)計(jì)基頻電路時(shí)，需要大量的信號(hào)處理工程知識(shí)。發(fā)射器的射頻電路能將已處理過(guò)的基頻信號(hào)轉(zhuǎn)換、升頻至指定的頻道中，并將此信號(hào)注入至傳輸媒體中。相反的，接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得信號(hào)，并轉(zhuǎn)換、降頻成基頻。
發(fā)射器有兩個(gè)主要的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)：第一是它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下，發(fā)射特定的功率。第二是它們不能干擾相鄰頻道內(nèi)的收發(fā)機(jī)之正常運(yùn)作。就接收器而言，有三個(gè)主要的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)：首先，它們必須準(zhǔn)確地還原小信號(hào)；第二，它們必須能去除期望頻道以外的干擾信號(hào)；最后一點(diǎn)與發(fā)射器一樣，它們消耗的功率必須很小。
射頻電路仿真之大的干擾信號(hào)
接收器必須對(duì)小的信號(hào)很靈敏，即使有大的干擾信號(hào)（阻擋物）存在時(shí)。這種情況出現(xiàn)在嘗試接收一個(gè)微弱或遠(yuǎn)距的發(fā)射信號(hào)，而其附近有強(qiáng)大的發(fā)射器在相鄰頻道中廣播。干擾信號(hào)可能比期待信號(hào)大60~70 dB，且可以在接收器的輸入階段以大量覆蓋的方式，或使接收器在輸入階段產(chǎn)生過(guò)多的噪聲量，來(lái)阻斷正常信號(hào)的接收。如果接收器在輸入階段，被干擾源驅(qū)使進(jìn)入非線性的區(qū)域，上述的那兩個(gè)問(wèn)題就會(huì)發(fā)生。為避免這些問(wèn)題，接收器的前端必須是非常線性的。
因此，“線性”也是PCB設(shè)計(jì)接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。由于接收器是窄頻電路，所以非線性是以測(cè)量“交調(diào)失真（intermodulation distortion）”來(lái)統(tǒng)計(jì)的。這牽涉到利用兩個(gè)頻率相近，并位于中心頻帶內(nèi)（in band）的正弦波或余弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，然后再測(cè)量其交互調(diào)變的乘積。大體而言，SPICE是一種耗時(shí)耗成本的仿真軟件，因?yàn)樗仨殘?zhí)行許多次的循環(huán)運(yùn)算以后，才能得到所需要的頻率分辨率，以了解失真的情形。
射頻電路仿真之小的期望信號(hào)
接收器必須很靈敏地偵測(cè)到小的輸入信號(hào)。一般而言，接收器的輸入功率可以小到1 μV。接收器的靈敏度被它的輸入電路所產(chǎn)生的噪聲所限制。因此，噪聲是PCB設(shè)計(jì)接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。而且，具備以仿真工具來(lái)預(yù)測(cè)噪聲的能力是不可或缺的。附圖一是一個(gè)典型的超外差（superheterodyne）接收器。接收到的信號(hào)先經(jīng)過(guò)濾波，再以低噪聲放大器（LNA）將輸入信號(hào)放大。然后利用第一個(gè)本地振蕩器（LO）與此信號(hào)混合，以使此信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻（IF）。前端（front-end）電路的噪聲效能主要取決于LNA、混合器（mixer）和LO。雖然使用傳統(tǒng)的SPICE噪聲分析，可以尋找到LNA的噪聲，但對(duì)于混合器和LO而言，它卻是無(wú)用的，因?yàn)樵谶@些區(qū)塊中的噪聲，會(huì)被很大的LO信號(hào)嚴(yán)重地影響。
小的輸入信號(hào)要求接收器必須具有極大的放大功能，通常需要120 dB這么高的增益。在這么高的增益下，任何自輸出端耦合（couple）回到輸入端的信號(hào)都可能產(chǎn)生問(wèn)題。使用超外差接收器架構(gòu)的重要原因是，它可以將增益分布在數(shù)個(gè)頻率里，以減少耦合的機(jī)率。這也使得第一個(gè)LO的頻率與輸入信號(hào)的頻率不同，可以防止大的干擾信號(hào)“污染”到小的輸入信號(hào)。
因?yàn)椴煌睦碛桑谝恍o(wú)線通訊系統(tǒng)中，直接轉(zhuǎn)換（direct conversion）或內(nèi)差（homodyne）架構(gòu)可以取代超外差架構(gòu)。在此架構(gòu)中，射頻輸入信號(hào)是在單一步驟下直接轉(zhuǎn)換成基頻，因此，大部份的增益都在基頻中，而且LO與輸入信號(hào)的頻率相同。在這種情況下，必須了解少量耦合的影響力，并且必須建立起“雜散信號(hào)路徑（stray signal path）”的詳細(xì)模型，譬如：穿過(guò)基板（substrate）的耦合、封裝腳位與焊線（bondwire）之間的耦合、和穿過(guò)電源線的耦合。
射頻電路仿真之相鄰頻道的干擾
失真也在發(fā)射器中扮演著重要的角色。發(fā)射器在輸出電路所產(chǎn)生的非線性，可能使傳送信號(hào)的頻寬散布于相鄰的頻道中。這種現(xiàn)象稱為“頻譜的再成長(zhǎng)（spectral regrowth）”。在信號(hào)到達(dá)發(fā)射器的功率放大器（PA）之前，其頻寬被限制著；但在PA內(nèi)的“交調(diào)失真”會(huì)導(dǎo)致頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多，發(fā)射器將無(wú)法符合其相鄰頻道的功率要求。當(dāng)傳送數(shù)字調(diào)變信號(hào)時(shí)，實(shí)際上，是無(wú)法用SPICE來(lái)預(yù)測(cè)頻譜的再成長(zhǎng)。因?yàn)榇蠹s有1000個(gè)數(shù)字符號(hào)（symbol）的傳送作業(yè)必須被仿真，以求得代表性的頻譜，并且還需要結(jié)合高頻率的載波，這些將使SPICE的瞬態(tài)分析變得不切實(shí)際。
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