RF印刷電路板的設(shè)計(jì)布局及建議

本應(yīng)用提供關(guān)于射頻(RF)印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)和布局的指導(dǎo)及建議，包括關(guān)于混合信號(hào)應(yīng)用的一些討論，例如相同PCB上的數(shù)字、模擬和射頻元件。內(nèi)容按主題進(jìn)行組織，提供“最佳實(shí)踐”指南，應(yīng)結(jié)合所有其它設(shè)計(jì)和制造指南加以應(yīng)用，這些指南可能適用于特定的元件、PCB制造商以及材料。

射頻傳輸線(xiàn)

許多Maxim射頻元件要求阻抗受控的傳輸線(xiàn)，將射頻功率傳輸至PCB上的IC引腳(或從其傳輸功率)。這些傳輸線(xiàn)可在外層(頂層或底層)實(shí)現(xiàn)或埋在內(nèi)層。關(guān)于這些傳輸線(xiàn)的指南包括討論微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、共面波導(dǎo)(地)以及特征阻抗。也介紹傳輸線(xiàn)彎角補(bǔ)償，以及傳輸線(xiàn)的換層。

微帶線(xiàn)

這種類(lèi)型的傳輸線(xiàn)包括固定寬度金屬走線(xiàn)(導(dǎo)體)以及(相鄰層)正下方的接地區(qū)域。例如，第1層(頂部金屬)上的走線(xiàn)要求在第2層上有實(shí)心接地區(qū)域(圖1)。走線(xiàn)的寬度、電介質(zhì)層的厚度以及電介質(zhì)的類(lèi)型決定特征阻抗(通常為50Ω或75Ω)。

圖1. 微帶線(xiàn)示例(立體圖)

帶狀線(xiàn)

這種線(xiàn)包括內(nèi)層固定寬度的走線(xiàn)，和上方和下方的接地區(qū)域。導(dǎo)體可位于接地區(qū)域中間(圖2)或具有一定偏移(圖3)。這種方法適合內(nèi)層的射頻走線(xiàn)。

圖2. 帶狀線(xiàn)(端視圖)。

圖3. 偏移帶狀線(xiàn)。帶狀線(xiàn)的一種變體，適用于層厚度不相同的PCB(端視圖)。

共面波導(dǎo)(接地)

共面波導(dǎo)提供鄰近射頻線(xiàn)之間以及其它信號(hào)線(xiàn)之間較好的隔離(端視圖)。這種介質(zhì)包括中間導(dǎo)體以及兩側(cè)和下方的接地區(qū)域(圖4)。

圖4. 共面波導(dǎo)提供鄰近射頻線(xiàn)以及其它信號(hào)線(xiàn)之間較好的隔離

建議在共面波導(dǎo)的兩側(cè)安裝過(guò)孔“柵欄”，如圖5所示。該頂視圖提供了在中間導(dǎo)體每側(cè)的頂部金屬接地區(qū)域安裝一排接地過(guò)孔的示例。頂層上引起的回路電流被短路至下方的接地層。

圖5. 建議在共面波導(dǎo)的兩側(cè)安裝過(guò)孔柵欄

特征阻抗有多種計(jì)算工具（老wu推薦通過(guò) 下載阻抗計(jì)算工具）可用于正確設(shè)置信號(hào)導(dǎo)體線(xiàn)寬，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)阻抗。然而，在輸入電路板層的介電常數(shù)時(shí)應(yīng)小心。典型PCB外基板層包含的玻璃纖維成分小于內(nèi)層，所以介電常數(shù)較低。例如，F(xiàn)R4材質(zhì)介電常數(shù)一般為εR = 4.2，而外基板(半固化板)層一般為εR = 3.8。下邊的例子僅供參考，其中金屬厚度為1oz銅(1.4 mils、0.036mm)。

表1. 特征阻抗示例

傳輸線(xiàn)彎角補(bǔ)償

由于布線(xiàn)約束而要求傳輸線(xiàn)彎曲時(shí)(改變方向)，使用的彎曲半徑應(yīng)至少為中間導(dǎo)體寬度的3倍。也就是說(shuō)：

彎曲半徑 ≥ 3 × (線(xiàn)寬)

這將彎角的特征阻抗變化降至最小。

如果不可能實(shí)現(xiàn)逐漸彎曲，可將傳輸線(xiàn)進(jìn)行直角彎曲(非曲線(xiàn))，見(jiàn)圖6。然而，必須對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，以減小通過(guò)彎曲點(diǎn)時(shí)本地有效線(xiàn)寬增大引起的阻抗突變。標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償方法為角斜接，如下圖所示。最佳的微帶直角斜接由杜維爾和詹姆斯(Douville and James)公式給出：

杜維爾和詹姆斯(Douville and James)公式式中，M為斜接與非斜接彎角之比(%)。該公式與介電常數(shù)無(wú)關(guān)，受約束條件為w/h ≥ 0.25。

其它傳輸線(xiàn)可采用類(lèi)似的方法。如果對(duì)正確補(bǔ)償方法存在任何不確定性，并且設(shè)計(jì)要求高性能傳輸線(xiàn)，則應(yīng)利用電磁仿真器對(duì)彎角建模。

圖6. 如果不可能實(shí)現(xiàn)逐漸彎曲，可將傳輸線(xiàn)進(jìn)行直角彎曲

傳輸線(xiàn)的換層

如果布局約束要求將傳輸線(xiàn)換至不同的電路板層，建議每條傳輸線(xiàn)至少使用兩個(gè)過(guò)孔，將過(guò)孔電感負(fù)載降至最小。一對(duì)過(guò)孔將傳輸電感有效減小50%，應(yīng)該使用與傳輸線(xiàn)寬相當(dāng)?shù)淖畲笾睆竭^(guò)孔。例如，對(duì)于15-mil微帶線(xiàn)，過(guò)孔直徑(拋光鍍層直徑)應(yīng)為15 mil至18 mil。如果空間不允許使用大過(guò)孔，則應(yīng)使用三個(gè)直徑較小的過(guò)渡過(guò)孔。

信號(hào)線(xiàn)隔離

必須小心防止信號(hào)線(xiàn)之間的意外耦合。以下是潛在耦合及預(yù)防措施的示例：

射頻傳輸線(xiàn)：傳輸線(xiàn)之間的距離應(yīng)該盡量大，不應(yīng)該在長(zhǎng)距離范圍內(nèi)彼此接近。彼此間隔越小、平行走線(xiàn)距離越長(zhǎng)，平行微帶線(xiàn)之間的耦合越大。不同層上的走線(xiàn)應(yīng)該有接地區(qū)域?qū)⑵浔３址珠_(kāi)。承載高功率的傳輸線(xiàn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離其它傳輸線(xiàn)。接地的共面波導(dǎo)提供優(yōu)異的線(xiàn)間隔離。小PCB上射頻線(xiàn)之間的隔離優(yōu)于大約-45dB是不現(xiàn)實(shí)的。

高速數(shù)字信號(hào)線(xiàn)：這些信號(hào)線(xiàn)應(yīng)獨(dú)立布置在與射頻信號(hào)線(xiàn)不同的電路板層上，以防止耦合。數(shù)字噪聲(來(lái)自于時(shí)鐘、PLL等)會(huì)耦合到RF信號(hào)線(xiàn)，進(jìn)而調(diào)制到射頻載波。或者，有些情況下，數(shù)字噪聲會(huì)被上變頻/下變頻。

VCC/電源線(xiàn)：這些線(xiàn)應(yīng)布置在專(zhuān)用層上。應(yīng)該在主VCC分配節(jié)點(diǎn)以及VCC分支安裝適當(dāng)?shù)娜ヱ?旁路電容。必須根據(jù)射頻IC的總體頻率響應(yīng)以及時(shí)鐘和PLL引起的數(shù)字噪聲的預(yù)期頻率分布選擇旁路電容。這些走線(xiàn)也應(yīng)與射頻線(xiàn)保持隔離，后者將發(fā)射較大的射頻功率。

接地區(qū)域

如果第1層用于射頻元件和傳輸線(xiàn)，建議在第2層使用實(shí)心(連續(xù))接地區(qū)域。對(duì)于帶狀線(xiàn)和偏移帶狀線(xiàn)，中間導(dǎo)體上、下要求接地區(qū)域。這些區(qū)域不得共用也不得分配給信號(hào)或電源網(wǎng)絡(luò)，而必須全部分配給地。有時(shí)候受設(shè)計(jì)條件限制，某一層上有局部接地區(qū)域，則必須位于全部射頻元件和傳輸線(xiàn)下方。接地區(qū)域不得在傳輸線(xiàn)下方斷開(kāi)。

應(yīng)在PCB的RF部分的不同層之間布置大量的接地過(guò)孔。這有助于防止接地電流回路造成寄生接地電感增大。過(guò)孔也有助于防止PCB上射頻信號(hào)線(xiàn)與其它信號(hào)線(xiàn)的交叉耦合。

電源層和接地層的特殊考慮事項(xiàng)

對(duì)于分配給系統(tǒng)電源(直流電源)和接地的電路板層，必須考慮元件的回路電流?？偟脑瓌t是避免將信號(hào)線(xiàn)布置在電源層和接地層之間的電路板層上。

圖7. 不正確的電路板層分配：電源層和接地層上的接地電流回路之間有信號(hào)層。偏壓線(xiàn)噪聲會(huì)耦合到信號(hào)層

圖8. 較好的電路板層分配：電源層和接地層之間沒(méi)有信號(hào)層

電源(偏壓)走線(xiàn)和電源去耦

如果元件有多個(gè)電源連接，常見(jiàn)做法是采用“星”型配置的電源布線(xiàn)(圖9)。在星型配置的“根”節(jié)點(diǎn)安裝較大的去耦電容(幾十μF)，在每個(gè)分支上安裝較小的電容。這些小電容的值取決于射頻IC的工作頻率及其具體功能(即級(jí)間與主電源去耦)。下圖所示為一個(gè)示例。

圖9. 如果元件有多個(gè)電源連接，電源布線(xiàn)可采用星型配置

相對(duì)于連接至相同電源網(wǎng)絡(luò)的所有引腳串聯(lián)的配置，“星”型配置避免了長(zhǎng)接地回路。長(zhǎng)接地回路將引起寄生電感，會(huì)造成意外的反饋環(huán)路。電源去耦的關(guān)鍵考慮事項(xiàng)是必須將直流電源連接在電氣上定義為交流地。