射頻電路板應(yīng)如何分區(qū)

今天的蜂窩電話設(shè)計以各種方式將所有的東西集成在一起，這對 RF 電路板設(shè)計來說很不利?，F(xiàn)在業(yè)界競爭非常激烈，人人都在找辦法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。模擬、數(shù)字和 RF 電路都緊密地擠在一起，用來隔開各自問題區(qū)域的空間非常小，而且考慮到成本因素，電路板層數(shù)往往又減到最小。令人感到不可思議的是，多用途芯片可將多種功能集成在一個非常小的裸片上，而且連接外界的引腳之間排列得又非常緊密，因此 RF、IF、模擬和數(shù)字信號非常靠近，但它們通常在電氣上是不相干的。電源分配可能對設(shè)計者來說是一個噩夢，為了延長電池壽命，電路的不同部分是根據(jù)需要而分時工作的，并由軟件來控制轉(zhuǎn)換。這意味著你可能需要為你的蜂窩電話提供 5 到 6 種工作電源。

在設(shè)計 RF 布局時，有幾個總的原則必須優(yōu)先加以滿足：

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。如果你的 PCB 板上有很多物理空間，那么你可以很容易地做到這一點，但通常元器件很多，PCB 空間較小，因而這通常是不可能的。你可以把他們放在 PCB 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 緩沖器和壓控制振蕩器(VCO)。

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，銅皮越多越好。稍后，我們將討論如何根據(jù)需要打破這個設(shè)計原則，以及如何避免由此而可能引起的問題。

芯片和電源去耦同樣也極為重要，稍后將討論實現(xiàn)這個原則的幾種方法。

RF 輸出通常需要遠(yuǎn)離 RF 輸入，稍后我們將進(jìn)行詳細(xì)討論。

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。

如何進(jìn)行分區(qū)?

設(shè)計分區(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、朝向和屏蔽等問題;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)。

首先我們討論物理分區(qū)問題。元器件布局是實現(xiàn)一個優(yōu)秀 RF 設(shè)計的關(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)整其朝向以將 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。

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，而且還可以減少主地上的虛焊點，并可減少 RF 能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機(jī)會。

在物理空間上，像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個 RF 區(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 走線應(yīng)盡可能走十字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的 RF 路徑對整塊 PCB 板的性能而言非常重要，這也就是為什么元器件布局通常在蜂窩電話 PCB 板設(shè)計中占大部分時間的原因。

在蜂窩電話 PCB 板上，通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁?PCB 板的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最終通過雙工器把它們在同一面上連接到 RF 端和基帶處理器端的天線上。需要一些技巧來確保直通過孔不會把 RF 能量從板的一面?zhèn)鬟f到另一面，常用的技術(shù)是在兩面都使用盲孔?？梢酝ㄟ^將直通過孔安排在 PCB 板兩面都不受 RF 干擾的區(qū)域來將直通過孔的不利影響減到最小。

有時不太可能在多個電路塊之間保證足夠的隔離，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(qū)域內(nèi)，但金屬屏蔽罩也存在問題，例如：自身成本和裝配成本都很貴;

外形不規(guī)則的金屬屏蔽罩在制造時很難保證高精度，長方形或正方形金屬屏蔽罩又使元器件布局受到一些限制;金屬屏蔽罩不利于元器件更換和故障定位;由于金屬屏蔽罩必須焊在地上，必須與元器件保持一個適當(dāng)距離，因此需要占用寶貴的 PCB 板空間。

盡可能保證屏蔽罩的完整非常重要，進(jìn)入金屬屏蔽罩的數(shù)字信號線應(yīng)該盡可能走內(nèi)層，而且最好走線層的下面一層 PCB 是地層。RF 信號線可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和地缺口處的布線層上走出去，不過缺口處周圍要盡可能地多布一些地，不同層上的地可通過多個過孔連在一起。

盡管有以上的問題，但是金屬屏蔽罩非常有效，而且常常還是隔離關(guān)鍵電路的唯一解決方案。

此外，恰當(dāng)和有效的芯片電源去耦也非常重要。許多集成了線性線路的 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(dá)四個電容和一個隔離電感來確保濾除所有的電源噪音)。

最小電容值通常取決于其自諧振頻率和低引腳電感，C4 的值就是據(jù)此選擇的。C3 和 C2 的值由于其自身引腳電感的關(guān)系而相對較大一些，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聲信號。電感 L1 使 RF 信號無法從電源線耦合到芯片中。記?。核械淖呔€都是一條潛在的既可接收也可發(fā)射 RF 信號的天線，另外將感應(yīng)的射頻信號與關(guān)鍵線路隔離開也很必要。

這些去耦元件的物理位置通常也很關(guān)鍵，這幾個重要元件的布局原則是：C4 要盡可能靠近 IC 引腳并接地，C3 必須最靠近 C4，C2 必須最靠近 C3，而且 IC 引腳與 C4 的連接走線要盡可能短，這幾個元件的接地端(尤其是 C4)通常應(yīng)當(dāng)通過下一地層與芯片的接地引腳相連。將元件與地層相連的過孔應(yīng)該盡可能靠近 PCB 板上元件焊盤，最好是使用打在焊盤上的盲孔以將連接線電感減到最小，電感應(yīng)該靠近 C1。

一塊集成電路或放大器常常帶有一個開漏極輸出，因此需要一個上拉電感來提供一個高阻抗 RF 負(fù)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端的電源進(jìn)行去耦。有些芯片需要多個電源才能工作，因此你可能需要兩到三套電容和電感來分別對它們進(jìn)行去耦處理，如果該芯片周圍沒有足夠空間的話，那么可能會遇到一些麻煩。

記住電感極少并行靠在一起，因為這將形成一個空芯變壓器并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號，因此它們之間的距離至少要相當(dāng)于其中一個器件的高度，或者成直角排列以將其互感減到最小。

電氣分區(qū)原則大體上與物理分區(qū)相同，但還包含一些其它因素?，F(xiàn)代蜂窩電話的某些部分采用不同工作電壓，并借助軟件對其進(jìn)行控制，以延長電池工作壽命。這意味著蜂窩電話需要運(yùn)行多種電源，而這給隔離帶來了更多的問題。電源通常從連接器引入，并立即進(jìn)行去耦處理以濾除任何來自線路板外部的噪聲，然后再經(jīng)過一組開關(guān)或穩(wěn)壓器之后對其進(jìn)行分配。

蜂窩電話里大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)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走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，需要采用多個過孔來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，并帶來各種各樣的問題。高功率放大器的接地相當(dāng)關(guān)鍵，并經(jīng)常需要為其設(shè)計一個金屬屏蔽罩。

審核編輯 黃昊宇