試論射頻電路PCB設(shè)計(jì)的困境和改善措施

李 鏗

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司,江蘇南京,210000）

試論射頻電路PCB設(shè)計(jì)的困境和改善措施

李 鏗

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司,江蘇南京,210000）

PCB設(shè)計(jì)對于電路設(shè)計(jì)而言越來越重要。但不少設(shè)計(jì)者往往只注重原理設(shè)計(jì)，而對PCB板的設(shè)計(jì)布局考慮不多，因此在完成的電路設(shè)計(jì)中常會出現(xiàn)EMC問題。文中從射頻電路的特性出發(fā)，闡述了射頻電路PCB設(shè)計(jì)中需要注意的一些問題。

PCB設(shè)計(jì)；射頻電路；常見問題

0 引言

射頻（RF）PCB 設(shè)計(jì)，在目前公開出版的理論上具有很多不確定性，常被形容為一種“黑色藝術(shù)”。通常情況下，對于微波以下頻段的電路（ 包括低頻和低頻數(shù)字電路）， 在全面掌握各類設(shè)計(jì)原則前提下的仔細(xì)規(guī)劃是一次性成功設(shè)計(jì)的保證。對于微波以上頻段和高頻的PC類數(shù)字電路，則需要2~3個版本的 PCB 方能保證電路品質(zhì)。而對于微波以上頻段的RF電路， 則往往需要更多版本的 PCB 設(shè)計(jì)并不斷完善， 而且是在具備相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的前提下。由此可知 RF 電設(shè)計(jì)上的困難。

1 RF電路設(shè)計(jì)的常見問題

1.1數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾

如果模擬電路（射頻）和數(shù)字電路單獨(dú)工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個電源一起工作，整個系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閿?shù)字信號頻繁地在地和正電源（＞3 V）之間擺動，而且周期特別短，常常是納秒級的。由于較大的振幅和較短的切換時間， 使得這些數(shù)字信號包含大量且獨(dú)立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無線調(diào)諧回路傳到無線設(shè)備接收部分的信號一般小于1μV。因此數(shù)字信號與射頻信號之間的差別會達(dá)到 120 dB。顯然，如果不能使數(shù)字信號與射頻信號很好地分離， 微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來，無線設(shè)備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。

1.2供電電源的噪聲干擾

射頻電路對于電源噪聲相當(dāng)敏感， 尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個內(nèi)部時鐘周期內(nèi)短時間突然吸入大部分電流， 這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS工藝制造。因此， 假設(shè)一個微控制器以 1 MHz 的內(nèi)部時鐘頻率運(yùn)行，它將以此頻率從電源提取電流。如果不采取合適的電源去耦， 必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達(dá)電路 RF 部分的電源引腳，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致工作失效。

1.3不合理的地線

如果 RF 電路的地線處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，即使沒有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在 RF 頻段，即使一根很短的地線也會如電感器一樣作用。粗略地計(jì)算， 每毫米長度的電感量約為 1 nH， 433 MHz時10 mm PCB 線路的感抗約 27Ω。如果不采用地線層， 大多數(shù)地線將會較長， 電路將無法具有設(shè)計(jì)的特性。

1.4天線對其他模擬電路部分的輻射干擾

在 PCB 電路設(shè)計(jì)中， 板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模/數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）。射頻發(fā)送器的天線發(fā)出的高頻信號可能會到達(dá) ADC 的模擬輸入端。因?yàn)槿魏坞娐肪€路都可能如天線一樣發(fā)出或接收 RF 信號。如果 ADC輸入端的處理不合理， RF 信號可能在 ADC 輸入的ESD二極管內(nèi)自激，從而引起 ADC 偏差。

2 RF 電路設(shè)計(jì)原則及方案

2.1 RF布局概念

在設(shè)計(jì) RF 布局時，必須優(yōu)先滿足以下幾個總原則

（1）盡可能地把高功率 RF 放大器（HPA）和低噪音放大器（LNA）隔離開來， 簡單地說， 就是讓高功率RF 發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率 RF 接收電路。

（2）確保 PCB 板上高功率區(qū)至少有一整塊地，最好上面沒有過孔，當(dāng)然，銅箔面積越大越好。

（3）電路和電源去耦同樣也極為重要。

（4）RF 輸出通常需要遠(yuǎn)離 RF 輸入。

（5）敏感的模擬信號應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號和 RF信號。

2.2物理分區(qū)和電氣分區(qū)設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)分區(qū)可以分解為物理分區(qū)和電氣分區(qū)。物理分區(qū)主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等; 電氣分區(qū)可以繼續(xù)分解為電源分配、RF 走線、敏感電路和信號以及接地等的分區(qū)。

2.2.1 物理分區(qū)原則

（1）元器件位置布局原則。元器件布局是實(shí)現(xiàn)一個優(yōu)秀 RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 最有效的技術(shù)是首先固定位于 RF 路徑上的元器件并調(diào)整其方向， 以便將RF 路徑的長度減到最小， 使輸入遠(yuǎn)離輸出， 并盡可能遠(yuǎn)地分離高功率電路和低功率電路。

（2）PCB 堆疊設(shè)計(jì)原則。最有效的電路板堆疊方法是將主接地面（主地）安排在表層下的第二層，并盡可能將 RF 線布置在表層上。將 RF 路徑上的過孔尺寸減到最小， 這不僅可以減少路徑電感， 而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn)， 并可減少 RF 能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機(jī)會。

（3）射頻器件及其 RF 布線布局原則。在物理空間上， 像多級放大器這樣的線性電路通常足以將個 RF 區(qū)之間相互隔離開來， 但是雙工器、混頻器和中頻放大器/混頻器總是有多個 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跡線應(yīng)盡可能十字交叉， 并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的 RF 路徑對整塊 PCB 的性能非常重要，這就是元器件布局通常在蜂窩電話 PCB 設(shè)計(jì)中占大部分時間的原因。

2.2.2 電氣分區(qū)原則

（1）功率傳輸原則。蜂窩電話中大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)小， 因此， 布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(dú)設(shè)定一條盡可能寬的大電流線， 以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗， 需要采用多個通孔來將電流從某一層傳遞到另一層。

（2）高功率器件的電源去耦。如果不能在高功率放大器的電源引腳端對它進(jìn)行充分的去耦， 那么高功率噪聲將會輻射到整塊板上， 并帶來多種的問題。高功率放大器的接地相當(dāng)關(guān)鍵， 經(jīng)常需要為其設(shè)計(jì)一個金屬屏蔽罩。

（3）RF 輸入/輸出隔離原則。在大多數(shù)情況下，同樣關(guān)鍵的是確保 RF 輸出遠(yuǎn)離 RF 輸入。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞情況下，如果放大器和緩沖器的輸出以適當(dāng)?shù)南辔缓驼穹答伒剿鼈兊妮斎攵耍?那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。在最好情況下， 它們將能在任何溫度和電壓條件下穩(wěn)定地工作。實(shí)際上， 它們可能會變得不穩(wěn)定， 并將噪音和互調(diào)信號添加到RF 信號上。

3 結(jié)束語

總而言之，射頻電路因其為分布參數(shù)電路，存在趨膚效應(yīng)和耦合效應(yīng)，不同于低頻電路和直流電路。因而在進(jìn)行射頻電路PCB設(shè)計(jì)時，需要特別注意這些問題，從而保證電路設(shè)計(jì)的有效和準(zhǔn)確。E- Link 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸器還可用于構(gòu)建新一代的以太網(wǎng)測控系統(tǒng)，用以改造現(xiàn)有的由現(xiàn)場總線組成的分布式控制系統(tǒng)和開發(fā)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)測控設(shè)備。它將推動家用電器智能化和網(wǎng)絡(luò)化，并使人們的生活方式發(fā)生深刻的變化。

[1]徐高潮,胡亮,付曉東.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].長春:吉林大學(xué)出版社,2002.

[2]沈紅衛(wèi).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[3]何立民. MS- 51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

On the dilemma and improvement measures of RF circuit PCB design

Li Keng
（Nanjing Panda Electronic Co Ltd, Jiangsu Nanjing, 210000）

PCB design is more and more important for circuit design. But many designers often focus only on the design principle, design and layout of the PCB board is not much given, so the EMC problem arises in the designed circuit. Starting from the characteristics of RF circuit, this paper expounds some problems needing attention in RF circuit PCB design.

PCB design; RF circuit; common problems