了解射頻電路板設(shè)計(jì)和解決方案

如今，射頻電路被塞進(jìn)各式各樣的電子產(chǎn)品中，其中大多數(shù)是用于醫(yī)療、工控和通信產(chǎn)品中。

什么是射頻電路板？

射頻頻率范圍通常為300Khz -300Ghz，超過300Khz的信號(hào)是射頻，300Mhz以上是微波。射頻電路和微波電路，與典型的數(shù)字電路、模擬電路之間有相當(dāng)大的區(qū)別。本質(zhì)上，射頻信號(hào)是非常高頻率的模擬信號(hào)，因此，不同于數(shù)字信號(hào)，在任何時(shí)間點(diǎn)，射頻信號(hào)可以處于最小和最大限制之間的任何電壓和電流水平。此外，單個(gè)波段的信號(hào)可以很窄，也可以很寬，并且在一個(gè)頻率很高的載波上傳播。

總之，射頻信號(hào)在PCB設(shè)計(jì)方面面臨的挑戰(zhàn)不同于高速數(shù)字信號(hào)電路。

射頻電路的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

PCB設(shè)計(jì)工程師在處理射頻電路時(shí)，面臨著以下4個(gè)挑戰(zhàn)：

射頻電路對(duì)噪聲非常敏感，會(huì)引起振鈴和反射，必須非常小心地對(duì)待。

阻抗匹配對(duì)射頻電路來說非常關(guān)鍵。頻率越高，允許的誤差越小。實(shí)際上，只有當(dāng)從發(fā)射端到接收端的走線總長(zhǎng)度大于信號(hào)波長(zhǎng)的1/16時(shí)，才需要對(duì)該走線進(jìn)行阻抗控制（信號(hào)波長(zhǎng)的1/16為信號(hào)的臨界長(zhǎng)度）。例如，如果您在處理一個(gè)1Ghz的信號(hào)，并且它的總長(zhǎng)度大于375mil，就需要對(duì)走線進(jìn)行阻抗控制處理。

回波損耗必須最小。在非常高的微波頻率下，回波信號(hào)需要采用最小電感路徑。因此，如果沒有進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，回波信號(hào)就會(huì)穿過電源平面、其他層或一些其他線路，信號(hào)的阻抗將不受控。

串?dāng)_是高頻電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題，因?yàn)榇當(dāng)_與有效線路的邊緣速率成正比。在這種情況下，主線路的耦合能量將疊加在被干擾線路上。當(dāng)板密度增加時(shí)，串?dāng)_問題將變得更加嚴(yán)重。

RF PCB設(shè)計(jì)解決方案

噪聲

適當(dāng)終止信號(hào)可以解決反射或振鈴問題，另一種方法是利用有效地平面來優(yōu)化回波路徑。

阻抗匹配

例如，PCB設(shè)計(jì)工程師需要將阻抗保持在50歐姆 - 發(fā)射端50歐姆，傳輸過程中50歐姆，接收端50歐姆。

回波損耗

信號(hào)下方的接地面適合提供回波路徑。從發(fā)射端到接收端的信號(hào)下方的地平面有著良好的連續(xù)性，不僅能夠最大限度減少接地回路電流，還有助于減少射頻漏入電路元件。

串?dāng)_

在信號(hào)走線周圍一定要預(yù)留足夠的空間。保持所有進(jìn)出收發(fā)模塊的線路越短越好，與高速信號(hào)的走線距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)，這些先之間相互平行的距離也應(yīng)保持在最小。以上所有措施都將減少兩線的接近程度和兩線平行運(yùn)行的距離，從而減少串?dāng)_。

其他的解決方案包括減少線路及其參考平面之間的介電間距，或引入共面結(jié)構(gòu)。在線路之間插入地平面，也可減少多達(dá)50%的串?dāng)_。

避免損耗

除上述因素外，還有其他信號(hào)損失。第一個(gè)是信號(hào)的趨膚效應(yīng)損失，特別是在信號(hào)線上。介電損耗與趨膚效應(yīng)是息息相關(guān)的，兩者都是在頻率極高的電子在通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生。例如，他們與FR4 PCB基板上的電子一起來回反彈，在這個(gè)相互作用的過程中，通過導(dǎo)體的電子的一些能量轉(zhuǎn)移到FR4的電子上，因此，信號(hào)能量被轉(zhuǎn)換為熱量，隨后損耗，并產(chǎn)生介電損耗。

在這種情況下，對(duì)于極高頻的微波電路，最好使用聚四氟乙烯，在業(yè)內(nèi)被稱為PTFE。這類層壓板的耗散系數(shù)約為0.001（FR4材料的耗散系數(shù)為0.02）。其次，在射頻電路中使用金可大大減少趨膚效應(yīng)造成的損耗。

層壓板特性

在處理射頻電路時(shí)，設(shè)計(jì)者需要考慮層壓板的性能，如耗散因子和介電常數(shù)（Dk）值及其變化。FR4 比Rogers和Nelco等高頻層壓板具有更高的耗散系數(shù)，這意味著使用FR4時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的插入損耗。

這些損耗也與頻率有關(guān)，并且會(huì)隨著頻率的增加而增加。其次，F(xiàn)R4的Dk值變化幅度可達(dá)10%，這又改變了阻抗。高頻板具有更穩(wěn)定的頻率特性。

然后是Dk值本身，對(duì)于微波電路，Dk值與電路元件的尺寸有關(guān)，因此設(shè)計(jì)者可以通過選擇Dk值較高的層壓板來減小電路的尺寸。

射頻電路的設(shè)計(jì)小技巧

為了使射頻PCB實(shí)現(xiàn)更合理的設(shè)計(jì)和更好的抗干擾能力，PCB設(shè)計(jì)工程師應(yīng)掌握以下幾點(diǎn)技巧：

將內(nèi)層作為電源地層，可起到屏蔽及減少雜散電感的作用?？s短信號(hào)線長(zhǎng)度，減少信號(hào)之間的交叉干擾。

電路布線轉(zhuǎn)角需為45°，這將有助于減少高頻信號(hào)發(fā)射和彼此之間的耦合。

電路布局長(zhǎng)度越短越好。

通孔越少越好。

層與層之間的布局應(yīng)為垂直方向，頂層水平方向布局，底層垂直方向布局，這樣有利于減少信號(hào)干擾。

增加接地層銅皮，減少信號(hào)干擾。

對(duì)關(guān)鍵信號(hào)走線作屏蔽罩處理，可明顯提高信號(hào)的抗干擾能力。當(dāng)然，也可對(duì)干擾源進(jìn)行屏蔽罩處理，避免對(duì)其他信號(hào)的干擾。

信號(hào)走線應(yīng)避免環(huán)路，建議按照菊鏈布局。

在集成電路的功率部分，橋接解耦電容

可靠的PCB是所有電子應(yīng)用所必需的關(guān)鍵部件。隨著產(chǎn)品尺寸限制、設(shè)計(jì)復(fù)雜性的提升、熱管理需求、信號(hào)完整性和長(zhǎng)壽命要求的不斷增加，挑戰(zhàn)在不斷出現(xiàn)。NCAB集團(tuán)深耕于PCB領(lǐng)域30年，擁有豐富的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和成熟的流程來支持您的產(chǎn)品開發(fā)。

審核編輯黃宇