射頻應用設計時的五大“黑色藝術”

　　射頻電路板設計由于在理論上還有很多不確定性，因此常被形容為一種“黑色藝術”，但這個觀點只有部分正確，RF電路板設計也有許多可以遵循的準則和不應該被忽視的法則。

　　不過，在實際設計時，真正實用的技巧是當這些準則和法則因各種設計約束而無法準確地實施時如何對它們進行折衷處理。當然，有許多重要的RF設計課題值得討論，包括阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板以及波長和駐波等，在全面掌握各類設計原則前提下的仔細規(guī)劃是一次性成功設計的保證。

　　RF電路設計的常見問題

　　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。這主要是因為數(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立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無線調諧回路傳到無線設備接收部分的信號一般小于lμV。因此數(shù)字信號與射頻信號之間的差別會達到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，無線設備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。

　　2、供電電源的噪聲干擾

　　射頻電路對于電源噪聲相當敏感，尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個內部時鐘周期內短時間突然吸人大部分電流，這是由于現(xiàn)代微控制器都采用 CMOS工藝制造。因此。假設一個微控制器以lMHz的內部時鐘頻率運行，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電路RF部分的電源引腳，嚴重時可能導致工作失效。

　　3、不合理的地線

　　如果RF電路的地線處理不當，可能產生一些奇怪的現(xiàn)象。對于數(shù)字電路設計，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。粗略地計算，每毫米長度的電感量約為l nH，433 MHz時10 toni 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，電路將無法具有設計的特性。

　　4、天線對其他模擬電路部分的輻射干擾

　　在 PCB電路設計中，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模，數(shù)轉換（ADC）或數(shù)／模轉換器（DAC）。射頻發(fā)送器的天線發(fā)出的高頻信號可能會到達ADC的模擬淙攵?。因?魏蔚緶廢唄范伎贍莧縑煜咭謊⒊齷蚪郵誖F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二極管內自激。從而引起ADC偏差。

　　一、射頻電路布局原則

　　在設計RF布局時，必須優(yōu)先滿足以下幾個總原則：

　?。?）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)射電路遠離低功率RF接收電路；

　?。?）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，當然，銅箔面積越大越好；

　?。?）電路和電源去耦同樣也極為重要；

　?。?）RF輸出通常需要遠離RF輸入；

　?。?）敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數(shù)字信號和RF信；

　　二、物理分區(qū)、電氣分區(qū)設計分區(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)。

　　1、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設計的關鍵，最有效的技術是首先固定位于RF路徑上的元器件，并調整其朝向以將RF路徑的長度減到最小，使輸入遠離輸出，并盡可能遠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其他區(qū)域的機會。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。

　　2、RF與IF走線應盡可能走十字交叉，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手機PCB板設計中占大部分時間的原因。在手機PCB板設計上，通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB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，金屬屏蔽罩必須焊在地上，必須與元器件保持一個適當距離，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，進入金屬屏蔽罩的數(shù)字信號線應該盡可能走內層，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。

　　3、恰當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四個電容和一個隔離電感來確保濾除所有的電源噪音。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行去耦處理，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產生干擾信號，因此它們之間的距離至少要相當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。

　　4、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

　　手機的某些部分采用不同工作電壓，并借助軟件對其進行控制，以延長電池工作壽命。這意味著手機需要運行多種電源，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)過一組開關或穩(wěn)壓器之后對其進行分配。手機PCB板上大多數(shù)電路的直流電流都相當小，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關鍵，并經(jīng)常需要為其設計一個金屬屏蔽罩。在大多數(shù)情況下，同樣關鍵的是確保RF輸出遠離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?shù)南辔缓驼穹答伒剿鼈兊妮斎攵耍敲此鼈兙陀锌赡墚a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。

　　實際上，它們可能會變得不穩(wěn)定，并將噪音和互調信號添加到RF信號上。如果射頻信號線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端，這可能會嚴重損害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出得到良好的隔離，首先必須在濾波器周圍布一圈地，其次濾波器下層區(qū)域也要布一塊地，并與圍繞濾波器的主地連接起來。把需要穿過濾波器的信號線盡可能遠離濾波器引腳也是個好方法。

　　此外，整塊板上各個地方的接地都要十分小心，否則會在引入一條耦合通道。有時可以選擇走單端或平衡RF信號線，有關交叉干擾和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號線如果走線正確的話，可以減少噪聲和交叉干擾，但是它們的阻抗通常比較高，而且要保持一個合理的線寬以得到一個匹配信號源、走線和負載的阻抗，實際布線可能會有一些困難。緩沖器可以用來提高隔離效果，因為它可把同一個信號分為兩個部分，并用于驅動不同的電路，特別是本振可能需要緩沖器來驅動多個混頻器。

　　當混頻器在RF頻率處到達共模隔離狀態(tài)時，它將無法正常工作。緩沖器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化，從而電路之間不會相互干擾。緩沖器對設計的幫助很大，它們可以緊跟在需要被驅動電路的后面，從而使高功率輸出走線非常短，由于緩沖器的輸入信號電平比較低，因此它們不易對板上的其它電路造成干擾。壓控振蕩器（VCO）可將變化的電壓轉換為變化的頻率，這一特性被用于高速頻道切換，但它們同樣也將控制電壓上的微量噪聲轉換為微小的頻率變化，而這就給RF信號增加了噪聲。