高頻寬帶AGC系統(tǒng)電路PCB設(shè)計

李飚 劉春群

摘 ?要：為了使高頻寬帶AGC系統(tǒng)電路達(dá)到各項設(shè)計指標(biāo)要求，文章根據(jù)電磁兼容和阻抗匹配理論，結(jié)合本系統(tǒng)電路的特點(diǎn)，對系統(tǒng)硬件電路的基板選取、電磁兼容和阻抗匹配進(jìn)行設(shè)計。通過分析對比，基板選取低型PTFE樹脂基板。從接地、布局布線、去耦合和旁路、寄生天線等幾方面來進(jìn)行AGC系統(tǒng)的PCB電磁兼容設(shè)計。采用純電阻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和傳輸線變壓器匹配器來實現(xiàn)傳輸匹配。測試結(jié)果顯示AGC系統(tǒng)電路各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求，表明AGC系統(tǒng)電路PCB的設(shè)計是合理有效的。

關(guān)鍵詞：AGC系統(tǒng);電磁兼容;阻抗匹配;PCB設(shè)計

中圖分類號：TN702 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）35-0065-03

系統(tǒng)電路原理的設(shè)計只是系統(tǒng)在原理上實現(xiàn)所能達(dá)到的理論性能，在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計時必須考慮基板板材、電磁兼容、傳輸阻抗匹配等諸多因素的影響，如果不對這些因素加以考慮，系統(tǒng)的實際性能就會受到影響，有時甚至使系統(tǒng)實際性能無法滿足設(shè)計要求[1]，尤其是對工作于高頻和寬帶的系統(tǒng)。因此，在對工作于接收機(jī)射頻前端的高頻寬帶自動增益控制（Automatic gain control，簡稱AGC）系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計時必須對這些因素加以考慮。

本設(shè)計的主要設(shè)計指標(biāo)：頻率范圍900～990 MHz;輸入信號功率動態(tài)范圍：-50～10 dBm;輸出信號功率平坦度：≤±3dB。下面主要就基板板材、電磁兼容、傳輸阻抗匹配等幾個方面展開討論如何對本AGC系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行PCB設(shè)計。

1 ?PCB基板的選取

為了實現(xiàn)高速、高質(zhì)量傳輸信號，高頻電路對PCB基板的特性要求主要有三大方面[1]：①對信號具有傳輸損失小、傳輸延遲短、信號失真小;②具有優(yōu)良、穩(wěn)定的介電特性;③特性阻抗Z0高精度可控制，高頻微波PCB基板的傳輸特性阻抗Z0直接影響著信號的傳輸質(zhì)量。要滿足上述三大特性要求，則PCB基板必須具備低相對介電常數(shù)εr和低介質(zhì)損失因素tanδ。

不同基板材料在不同頻率下的相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)tanδ損失因素的變化情況如圖1和圖2所示。不同基板材料在不同溫度下的相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)tanδ損失因素的變化情況[2～3]如圖3和圖4所示。

選擇高頻電路PCB板材要從基板的基本電性能、應(yīng)用加工性能、和成本三方面入手。根據(jù)臺灣PCB業(yè)界統(tǒng)計，當(dāng)前PCB的制造成本占電子產(chǎn)品成品的8%～12%，甚至超過12%[2]。因此，綜合成本、不同材料基板的介電特性（相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)tanδ損失因素）和應(yīng)用加工性能三方面考慮，本設(shè)計選取低εr型PTFE樹脂基板材料板材來進(jìn)行設(shè)計。

2 ?PCB的電磁兼容設(shè)計

微波系統(tǒng)電路的PCB設(shè)計與低頻電路有很大的區(qū)別，主要是微波電路較易受電磁干擾和存在傳輸損耗等因素的影響，設(shè)計時如果對這些方面不加以綜合考慮，設(shè)計結(jié)果將很難達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。因此，本節(jié)主要對電磁兼容（主要是電磁干擾）展開討論。下面將結(jié)合本設(shè)計從接地、布局布線、去耦合和旁路、寄生天線等幾方面來討論自動增益控制系統(tǒng)的PCB電磁兼容設(shè)計。

2.1 ?接地設(shè)計

理想的地是沒有阻抗的，各接地點(diǎn)之間沒有電位差，只是起到信號回路的作用。但是實際的地都會有阻抗，所以各接地點(diǎn)之間都不可避免的存在電位差，這些電位不同的接地點(diǎn)就構(gòu)成地環(huán)路，當(dāng)其中有交變磁場通過時就會產(chǎn)生環(huán)路電流，這些環(huán)路電流疊加在有用信號上形成干擾。所以，接地設(shè)計要從消除地環(huán)路或減小地環(huán)路面積方面進(jìn)行考慮[3]。

本自動增益控制系統(tǒng)主要分為三大版塊：電源、控制環(huán)路和微波通路。根據(jù)地環(huán)路干擾和天線效應(yīng)形成原理，電源、控制環(huán)路采用單點(diǎn)接地方式，微波通路采用多點(diǎn)就近接地方式，使地環(huán)路面積盡可能的小和接地線都盡可能的短寬。PCB底面作為整個地面，同時要避免在地面上開槽形成間隙。

2.2 ?元器件的選擇和布局布線設(shè)計

微波頻段的電路在選取電路元件時要考慮寄生參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，要盡可能的減少電路元件的寄生參數(shù)。貼片封裝元器件在減少寄生參數(shù)方面比其他封裝形式的元器件要好，故本設(shè)計所有電容、電阻、電感、變壓器、功分器采都用0402、0603、0805貼片封裝元件，集成芯片全部選用貼片封裝。

為縮短元器件間的引線以減小分布參數(shù)、傳輸損耗、干擾等，元器件主要按電路功能劃分版塊，圍繞核心芯片布局，盡量均勻排列、緊湊、整齊，并與信號傳輸方向保持一致。

對高頻電路布線時主要從避免電路產(chǎn)生電磁輻射、串?dāng)_和保持低阻抗等方面考慮。因此，在布線設(shè)計時要遵循下列原則：信號線、地線、電源線要盡可能的短寬、線寬線距保持均勻，信號線避免長距離走線、開叉、彎折和相交;同時信號線用地線進(jìn)行屏蔽，防止其受到干擾;信號線間距要遵循3 W原則（線間距為線寬的3倍），一般線路至少要遵循2 W原則（線間距為線寬的2倍）;當(dāng)線路拐彎不可避免時線路不允許有拐角小于等于90 °，拐角應(yīng)取145 °或圓弧形，圓弧形彎角半徑要大于2 mm[1～234][6]。

2.3 ?去耦合和旁路

為防止射頻能量從一個電路轉(zhuǎn)移入另一個電路中，采取去耦合和旁路是較為有效的方法，主要是在電源和集成芯片各電源端采取去藕合和旁路設(shè)計。結(jié)合本設(shè)計大帶寬的要求，設(shè)計時為了減小分布參數(shù)降低噪聲和適應(yīng)大帶寬的要求，在電源及芯片各電源端處采用電容值相差兩個數(shù)量級以上的去耦電容，同時在每個鉭電解電容附近旁加一個小電容值的高頻旁路電容，這些電容都盡量靠近芯片放置。

2.4 ?寄生天線

由于寄生天線的存在，電子設(shè)備或系統(tǒng)才會產(chǎn)生電磁輻射干擾。關(guān)于基本天線結(jié)構(gòu)的示意圖如圖5所示，只要存在電流環(huán)路或者兩個電壓驅(qū)動的互相靠近的導(dǎo)體就可以構(gòu)成天線。當(dāng)天線中有交變電流通過時就會向外產(chǎn)生電磁輻射，形成電磁干擾源，而天線的尺寸為波長的λ/4時這種輻射將變得更加明顯[1][4]。

可見，同時具備天線結(jié)構(gòu)和通過天線的交變電流是產(chǎn)生電磁輻射干擾的兩個必要因素，為消除或減小電磁輻射就必須從這兩個因素入手。

本設(shè)計在設(shè)計時主要注意下面幾個方面：避免孤立未良好接地導(dǎo)體的存在，如孤立銅皮、導(dǎo)線等;PCB的表面敷銅要保證良好接地;盡最大限度的減少布線時形成的環(huán)路通路的面積。

3 ?阻抗匹配設(shè)計

根據(jù)射頻微波電路理論，要使信號能夠從輸入端沿著傳輸線順利的傳輸?shù)浇邮斩饲冶唤邮斩送耆斩槐环瓷?，傳輸線的阻抗就必須滿足與輸入端和輸出端阻抗相等，即要滿足阻抗匹配要求。

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法主要有：集總參數(shù)匹配、分布參數(shù)匹配和變壓器匹配等。集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)可分為無損耗匹配網(wǎng)絡(luò)和有損耗匹配網(wǎng)絡(luò)。無損耗匹配網(wǎng)絡(luò)由L、C無耗元件構(gòu)成，LC匹配網(wǎng)絡(luò)雖然沒有損耗，但是只適用于窄帶網(wǎng)絡(luò)匹配，而不適用于寬帶，而且隨著頻率的增大分布參數(shù)效應(yīng)也越明顯。由純電阻組成的有損匹配網(wǎng)絡(luò)近似和頻率無關(guān)，因此可以滿足大帶寬系統(tǒng)的阻抗匹配要求，但會帶來平均11.5 dB的損耗[5]。分布參數(shù)匹配器主要是傳輸線匹配器，傳輸線阻抗變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，但是在頻率不夠高時的波長結(jié)構(gòu)尺寸（例如λ/4波長）比較大，比如1 GHz頻率時的λ/4波長結(jié)構(gòu)尺寸大約為10 cm，這顯然不利于設(shè)備的小型化要求。傳輸線變壓器匹配器是用傳輸線纏繞在變壓器磁芯上而制成，它具有集總參數(shù)變壓器和傳輸線的優(yōu)點(diǎn)，通頻帶寬可以做得比較寬[6]。

綜合上述分析，結(jié)合本設(shè)計電路的特點(diǎn)，本設(shè)計采用純電阻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和傳輸線變壓器匹配器來實現(xiàn)傳輸匹配。

4 ?硬件測試

系統(tǒng)硬件電路的PCB設(shè)計是否合理有效，最行之有效的方法是按照各項設(shè)計指標(biāo)要求來進(jìn)行指標(biāo)測試，看測試結(jié)果是否符合設(shè)計指標(biāo)的要求。下面就根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求來進(jìn)行測試驗證：把信號發(fā)生器輸出的信號輸入到系統(tǒng)電路，用頻譜儀來觀測AGC系統(tǒng)輸出信號的頻譜和功率。如圖6所示，在輸入信號為900 MHz，功率為-30 dBm時，用頻譜儀測得輸出信號功率為-17.17 dBm。在其他頻點(diǎn)上的測試結(jié)果，見表1。

根據(jù)測試結(jié)果可知，在60 dB輸入動態(tài)范圍內(nèi)和900～990 MHz頻段，AGC系統(tǒng)輸出信號功率平坦度為≤±1.5dB，輸出能保持穩(wěn)定。

5 ?結(jié) ?語

測試結(jié)果顯示，AGC系統(tǒng)電路各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求。表明AGC系統(tǒng)電路PCB的設(shè)計是合理有效的。但輸出信號平坦度在90 MHz帶寬范圍內(nèi)還不夠理想，特別是在高頻點(diǎn)處和低輸入信號功率點(diǎn)處的平坦度明顯變差，為此，可以考慮進(jìn)一步改進(jìn)阻抗匹配和提高電磁兼容性，以及放入金屬腔體進(jìn)行屏蔽等措施來進(jìn)一步改善。

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