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    射頻電路板設計技巧

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    點擊次數:105 更新時間:2019年01月19日11:03:19 打印此頁 關閉
    從過去到現在,RF電路板設計如同電磁干擾(EMI)問題一樣,一直是工程師們最難掌控的部份,甚至是夢魘。若想要一次就設計成功,必須事先仔細規劃和注重細節才能奏效。 

    射頻(RF)電路板設計由于在理論上還有很多不確定性,因此常被形容為一種「黑色藝術」(black art) 。但這只是一種以偏蓋全的觀點,RF電路板設計還是有許多可以遵循的法則。不過,在實際設計時,真正實用的技巧是當這些法則因各種限制而無法實施時,如何對它們進行折衷處理。重要的RF設計課題包括:阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長和諧波...等,本文將集中探討與RF電路板分區設計有關的各種問題。 

    微過孔的種類 
    電路板上不同性質的電路必須分隔,但是又要在不產生電磁干擾的最佳情況下連接,這就需要用到微過孔(microvia)。通常微過孔直徑為0.05mm至0.20mm,這些過孔一般分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內層的連接孔,它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內層,層壓前利用通孔成型制程完成,在過孔形成過程中可能還會重疊做好幾個內層。第三種稱為通孔,這種孔穿過整個線路板,可用于實現內部互連或作為組件的黏著定位孔。

    采用分區技巧
    在設計RF電路板時,應盡可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來。簡單的說RF接,就是讓高功率RF發射電路遠離低功率收電路。如果PCB板上有很多空間,那么可以很容易地做到這一點。但通常零組件很多時,PCB空間就會變的很小,因此這是很難達到的??梢园阉鼈兎旁赑CB板的兩面,或者讓它們交替工作,而不是同時工作。高功率電路有時還可包括RF緩沖器(buffer)和壓控振蕩器(VCO)。

    設計分區可以分成實體分區(physical partitioning)和電氣分區(Electrical partitioning)。實體分區主要涉及零組件布局、方位和屏蔽等問題;電氣分區可以繼續分成電源分配、RF走線、敏感電路和信號、接地等分區。 

    實體分區
    零組件布局是實現一個優異RF設計的關鍵,最有效的技術是首先固定位于RF路徑上的零組件,并調整其方位,使RF路徑的長度減到最小。并使RF輸入遠離RF輸出,并盡可能遠離高功率電路和低功率電路。 

    最有效的電路板堆棧方法是將主接地安排在表層下的第二層,并盡可能將RF線走在表層上。將RF路徑上的過孔尺寸減到最小不僅可以減少路徑電感,而且還可以減少主接地上的虛焊點,并可減少RF能量泄漏到層疊板內其它區域的機會。 

    在實體空間上,像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個RF區之間相互隔離開來,但是雙工器、混頻器和中頻放大器總是有多個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走線應盡可能走十字交叉,并盡可能在它們之間隔一塊接地面積。正確的RF路徑對整塊PCB板的性能而言非常重要,這也就是為什么零組件布局通常在行動電話PCB板設計中占大部份時間的原因。 

    在行動電話PCB板上,通??梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB板的某一面,而高功率放大器放在另一面,并最終藉由雙工器在同一面上將它們連接到RF天線的一端和基頻處理器的另一端。這需要一些技巧來確保RF能量不會藉由過孔,從板的一面傳遞到另一面,常用的技術是在兩面都使用盲孔??梢越逵蓪⒚た装才旁赑CB板兩面都不受RF干擾的區域,來將過孔的不利影響減到最小。

    金屬屏蔽罩 
    有時,不太可能在多個電路區塊之間保留足夠的區隔,在這種情況下就必須考慮采用金屬屏蔽罩將射頻能量屏蔽在RF區域內,但金屬屏蔽罩也有副作用,例如:制造成本和裝配成本都很高。 

    外形不規則的金屬屏蔽罩在制造時很難保證高精密度,長方形或正方形金屬屏蔽罩又使零組件布局受到一些限制;金屬屏蔽罩不利于零組件更換和故障移位;由于金屬屏蔽罩必須焊在接地面上,而且必須與零組件保持一個適當的距離,因此需要占用寶貴的PCB板空間。 

    盡可能保證金屬屏蔽罩的完整非常重要,所以進入金屬屏蔽罩的數字信號線應該盡可能走內層,而且最好將信號線路層的下一層設為接地層。RF信號線可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口處的布線層走線出去,不過缺口處周圍要盡可能被廣大的接地面積包圍,不同信號層上的接地可藉由多個過孔連在一起。 

    盡管有以上的缺點,但是金屬屏蔽罩仍然非常有效,而且常常是隔離關鍵電路的唯一解決方案。 

    電源去耦電路

    此外,恰當而有效的芯片電源去耦(decouple)電路也非常重要。許多整合了線性線路的RF芯片對電源的噪音非常敏感,通常每個芯片都需要采用高達四個電容和一個隔離電感來濾除全部的電源噪音。

    最小電容值通常取決于電容本身的諧振頻率和接腳電感,C4的值就是據此選擇的。C3和C2的值由于其自身接腳電感的關系而相對比較大,從而RF去耦效果要差一些,不過它們較適合于濾除較低頻率的噪音信號。RF去耦則是由電感L1完成的,它使RF信號無法從電源線耦合到芯片中。因為所有的走線都是一條潛在的既可接收也可發射RF信號的天線,所以,將射頻信號與關鍵線路、零組件隔離是必須的。 


    這些去耦組件的實體位置通常也很關鍵。這幾個重要組件的布局原則是:C4要盡可能靠近IC接腳并接地,C3必須最靠近C4,C2必須最靠近C3,而且IC接腳與C4的連接走線要盡可能短,這幾個組件的接地端(尤其是C4)通常應當藉由板面下第一個接地層與芯片的接地腳相連。將組件與接地層相連的過孔應該盡可能靠近PCB板上的組件焊盤,最好是使用打在焊盤上的盲孔將連接線電感減到最小,電感L1應該靠近C1。 

    一個集成電路或放大器常常具有一個開集極(open collector)輸出,因此需要一個上拉電感(pullup inductor)來提供一個高阻抗RF負載和一個低阻抗直流電源,同樣的原則也適用于對這一電感的電源端進行去耦。有些芯片需要多個電源才能工作,因此可能需要兩到三套電容和電感來分別對它們進行去耦處理,如果該芯片周圍沒有足夠的空間,那么去耦效果可能不佳。 

    尤其需要特別注意的是:電感極少平行靠在一起,因為這將形成一個空芯變壓器,并相互感應產生干擾信號,因此它們之間的距離至少要相當于其中之一的高度,或者成直角排列以使其互感減到最小。

    電氣分區
    電氣分區原則上與實體分區相同,但還包含一些其它因素?,F代行動電話的某些部份采用不同工作電壓,并借助軟件對其進行控制,以延長電池工作壽命。這意味著行動電話需要運行多種電源,而這產生更多的隔離問題。電源通常由連接線(connector)引入,并立即進行去耦處理以濾除任何來自電路板外部的噪音,然后經過一組開關或穩壓器,之后,進行電源分配。 

    在行動電話里,大多數電路的直流電流都相當小,因此走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設計出一條盡可能寬的大電流線路,以使發射時的壓降(voltage drop)能減到最低。為了避免太多電流損耗,需要利用多個過孔將電流從某一層傳遞到另一層。此外,如果不能在高功率放大器的電源接腳端對它進行充分的去耦,那么高功率噪音將會輻射到整塊電路板上,并帶來各種各樣的問題。高功率放大器的接地相當重要,并經常需要為其設計一個金屬屏蔽罩。 

    RF輸出必須遠離RF輸入
    在大多數情況下,必須做到RF輸出遠離RF輸入。這原則也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞的情況下,如果放大器和緩沖器的輸出以適當的相位和振幅反饋到它們的輸入端,那么它們就有可能產生自激振蕩。它們可能會變得不穩定,并將噪音和互調相乘信號(intermodulation products)添加到RF信號上。 

    如果射頻信號線從濾波器的輸入端繞回輸出端,這可能會嚴重損害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出得到良好的隔離,首先在濾波器周圍必須是一塊主接地面積,其次濾波器下層區域也必須是一塊接地面積,并且此接地面積必須與圍繞濾波器的主接地連接起來。把需要穿過濾波器的信號線盡可能遠離濾波器接腳也是個好方法。此外,整塊電路板上各個地方的接地都要十分小心,否則可能會在不知不覺中引入一條不希望發生的耦合信道。(圖二)詳細說明了這一接地辦法。 

    有時可以選擇走單端(single-ended)或平衡的RF信號線(balanced RF traces),有關串音(crosstalk)和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號線如果走線正確的話,可以減少噪音和串音,但是它們的阻抗通常比較高。而且為了得到一個阻抗匹配的信號源、走線和負載,需要保持一個合理的線寬,這在實際布線時可能會有困難。

    緩沖器

    緩沖器可以用來提高隔離效果,因為它可把同一個信號分為兩個部份,并用于驅動不同的電路。尤其是本地振蕩器可能需要緩沖器來驅動多個混頻器。當混頻器在RF頻率處到達共模隔離(common mode isolation)狀態時,它將無法正常工作。緩沖器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化,從而電路之間不會相互干擾。 

    緩沖器對設計的幫助很大,它們可以緊跟在需要被驅動電路的后面,從而使高功率輸出走線非常短,由于緩沖器的輸入信號電平比較低,因此它們不易對板上的其它電路造成干擾。

    壓控振蕩器
    壓控振蕩器(VCO)可將變化的電壓轉換為變化的頻率,這一特性被用于高速頻道切換,但它們同樣也將控制電壓上的微量噪音轉換為微小的頻率變化,而這就給RF信號增加了噪音??傊?,在壓控振蕩器處理過以后,再也沒有辦法從RF輸出信號中將噪音去掉。困難在于VCO控制線(control line)的期望頻寬范圍可能從DC到2MHz,而藉由濾波器來去掉這么寬的頻帶噪音幾乎是不可能的;其次,VCO控制線通常是一個控制頻率的反饋回路的一部份,它在很多地方都有可能引入噪音,因此必須非常小心處理VCO控制線。 

    諧振電路
    諧振電路(tank circuit)用于發射機和接收機,它與VCO有關,但也有它自己的特點。簡單地說,諧振電路是由一連串具有電感電容的二極管并連而成的諧振電路,它有助于設定VCO工作頻率和將語音或數據調變到RF載波上。 

    所有VCO的設計原則同樣適用于諧振電路。由于諧振電路含有數量相當多的零組件、占據面積大、通常運行在一個很高的RF頻率下,因此諧振電路通常對噪音非常敏感。信號通常排列在芯片的相鄰接腳上,但這些信號接腳又需要與較大的電感和電容配合才能工作,這反而需要將這些電感和電容的位置盡量靠近信號接腳,并連回到一個對噪音很敏感的控制環路上,但是又要盡量避免噪音的干擾。要做到這點是不容易的。 

    自動增益控制放大器
    自動增益控制(AGC)放大器同樣是一個容易出問題的地方,不管是發射還是接收電路都會有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪音,不過由于行動電話具備處理發射和接收信號強度快速變化的能力,因此要求AGC電路有一個相當大的頻寬,這就使AGC放大器很容易引入噪音。 

    設計AGC線路必須遵守模擬電路的設計原則,亦即使用很短的輸入接腳和很短的反饋路徑,而且這兩處都必須遠離RF、IF或高速數字信號線路。同樣,良好的接地也必不可少,而且芯片的電源必須得到良好的去耦。如果必須在輸入或輸出端設計一條長的走線,那么最好是選擇在輸出端實現它,因為,通常輸出端的阻抗要比輸入端低得多,而且也不容易引入噪音。通常信號電平越高,就越容易將噪音引入到其它電路中。 

    接地
    要確保RF走線下層的接地是實心的,而且所有的零組件都要牢固地連接到主接地上,并與其它可能帶來噪音的走線隔離開來。此外,要確保VCO的電源已得到充分去耦,由于VCO的RF輸出往往是一個相當高的電平,VCO輸出信號很容易干擾其它電路,因此必須對VCO加以特別注意。事實上,VCO往往放在RF區域的末端,有時它還需要一個金屬屏蔽罩。

    在所有PCB設計中,盡可能將數字電路遠離模擬電路是一個大原則,它同樣也適用于RF PCB設計。公共模擬接地和用于屏蔽和隔開信號線的接地通常是同等重要的。同樣應使RF線路遠離模擬線路和一些很關鍵的數字信號,所有的RF走線、焊盤和組件周圍應盡可能是接地銅皮,并盡可能與主接地相連。微型過孔(microvia)構造板在RF線路開發階段很有用,它毋須花費任何開銷就可隨意使用很多過孔,否則在普通PCB板上鉆孔將會增加開發成本,這在大批量產時是不經濟的。 

    將一個實心的整塊接地面直接放在表面下第一層時,隔離效果最好。將接地面分成幾塊來隔離模擬、數字和RF線路時,其效果并不好,因為最終總是有一些高速信號線要穿過這些分開的接地面,這不是很好的設計。 

    還有許多與信號和控制線相關的課題需要特別注意,但它們超出了本文探討的范圍。 

    結語 
    不論RF PCB設計是不是一門「黑色藝術」,遵守一些基本的RF設計規則和參考一些優異的設計實例將有助于完成RF設計工作。成功的RF設計必須仔細注意整個設計過程中每個步驟及每個細節,這意味著必須在設計開始階段就要進行徹底的、仔細的規劃,并對每個設計步驟的進展進行全面持續的評估。而這種細致的設計技巧正是國內大多數電子企業文化所欠缺的。

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