射頻電路板設(shè)計(jì)技巧 - 全文

成功的RF設(shè)計(jì)必須仔細(xì)注意整個(gè)設(shè)計(jì)過程中每個(gè)步驟及每個(gè)細(xì)節(jié)，這意味著必須在設(shè)計(jì)開始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃，并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟的進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)的*估。而這種細(xì)致的設(shè)計(jì)技巧正是國內(nèi)大多數(shù)電子企業(yè)文化所欠缺的。

近幾年來，由于藍(lán)芽設(shè)備、無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)設(shè)備，和行動(dòng)電話的需求與成長(zhǎng)，促使業(yè)者越來越關(guān)注RF電路設(shè)計(jì)的技巧。從過去到現(xiàn)在，RF電路板設(shè)計(jì)如同電磁干擾(EMI)問題一樣，一直是工程師們最難掌控的部份，甚至是夢(mèng)魘。若想要一次就設(shè)計(jì)成功，必須事先仔細(xì)規(guī)劃和注重細(xì)節(jié)才能奏效。

射頻(RF)電路板設(shè)計(jì)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(shù)」(black art) 。但這只是一種以偏蓋全的觀點(diǎn)，RF電路板設(shè)計(jì)還是有許多可以遵循的法則。不過，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，真正實(shí)用的技巧是當(dāng)這些法則因各種限制而無法實(shí)施時(shí)，如何對(duì)它們進(jìn)行折衷處理。重要的RF設(shè)計(jì)課題包括：阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長(zhǎng)和諧波...等，本文將集中探討與RF電路板分區(qū)設(shè)計(jì)有關(guān)的各種問題。

微過孔的種類

電路板上不同性質(zhì)的電路必須分隔，但是又要在不產(chǎn)生電磁干擾的最佳情況下連接，這就需要用到微過孔(microvia)。通常微過孔直徑為0.05mm至0.20mm，這些過孔一般分為三類，即盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層，層壓前利用通孔成型制程完成，在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。第三種稱為通孔，這種孔穿過整個(gè)線路板，可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為組件的黏著定位孔。

采用分區(qū)技巧

在設(shè)計(jì)RF電路板時(shí)，應(yīng)盡可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來。簡(jiǎn)單的說RF接，就是讓高功率RF發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率收電路。如果PCB板上有很多空間，那么可以很容易地做到這一點(diǎn)。但通常零組件很多時(shí)，PCB空間就會(huì)變的很小，因此這是很難達(dá)到的?？梢园阉鼈兎旁赑CB板的兩面，或者讓它們交替工作，而不是同時(shí)工作。高功率電路有時(shí)還可包括RF緩沖器(buffer)和壓控振蕩器(VCO)。

設(shè)計(jì)分區(qū)可以分成實(shí)體分區(qū)(physical partitioning)和電氣分區(qū)(Electrical partitioning)。實(shí)體分區(qū)主要涉及零組件布局、方位和屏蔽等問題；電氣分區(qū)可以繼續(xù)分成電源分配、RF走線、敏感電路和信號(hào)、接地等分區(qū)。

實(shí)體分區(qū)

零組件布局是實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)異RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，最有效的技術(shù)是首先固定位于RF路徑上的零組件，并調(diào)整其方位，使RF路徑的長(zhǎng)度減到最小。并使RF輸入遠(yuǎn)離RF輸出，并盡可能遠(yuǎn)離高功率電路和低功率電路。

最有效的電路板堆棧方法是將主接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，而且還可以減少主接地上的虛焊點(diǎn)，并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其它區(qū)域的機(jī)會(huì)。

在實(shí)體空間上，像多級(jí)放大器這樣的線性電路通常足以將多個(gè)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總是有多個(gè)RF/IF信號(hào)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接地面積。正確的RF路徑對(duì)整塊PCB板的性能而言非常重要，這也就是為什么零組件布局通常在行動(dòng)電話PCB板設(shè)計(jì)中占大部份時(shí)間的原因。

在行動(dòng)電話PCB板上，通常可以將低噪音放大器電路放在PCB板的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最終藉由雙工器在同一面上將它們連接到RF天線的一端和基頻處理器的另一端。這需要一些技巧來確保RF能量不會(huì)藉由過孔，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。可以藉由將盲孔安排在PCB板兩面都不受RF干擾的區(qū)域，來將過孔的不利影響減到最小。

金屬屏蔽罩

有時(shí)，不太可能在多個(gè)電路區(qū)塊之間保留足夠的區(qū)隔，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)，但金屬屏蔽罩也有副作用，例如：制造成本和裝配成本都很高。

外形不規(guī)則的金屬屏蔽罩在制造時(shí)很難保證高精密度，長(zhǎng)方形或正方形金屬屏蔽罩又使零組件布局受到一些限制；金屬屏蔽罩不利于零組件更換和故障移位；由于金屬屏蔽罩必須焊在接地面上，而且必須與零組件保持一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x，因此需要占用寶貴的PCB板空間。

盡可能保證金屬屏蔽罩的完整非常重要，所以進(jìn)入金屬屏蔽罩的數(shù)字信號(hào)線應(yīng)該盡可能走內(nèi)層，而且最好將信號(hào)線路層的下一層設(shè)為接地層。RF信號(hào)線可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口處的布線層走線出去，不過缺口處周圍要盡可能被廣大的接地面積包圍，不同信號(hào)層上的接地可藉由多個(gè)過孔連在一起。

盡管有以上的缺點(diǎn)，但是金屬屏蔽罩仍然非常有效，而且常常是隔離關(guān)鍵電路的唯一解決方案。

電源去耦電路

此外，恰當(dāng)而有效的芯片電源去耦(decouple)電路也非常重要。許多整合了線性線路的RF芯片對(duì)電源的噪音非常敏感，通常每個(gè)芯片都需要采用高達(dá)四個(gè)電容和一個(gè)隔離電感來濾除全部的電源噪音。(圖一)

圖一　芯片電源去耦電路

最小電容值通常取決于電容本身的諧振頻率和接腳電感，C4的值就是據(jù)此選擇的。C3和C2的值由于其自身接腳電感的關(guān)系而相對(duì)比較大，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音信號(hào)。RF去耦則是由電感L1完成的，它使RF信號(hào)無法從電源線耦合到芯片中。因?yàn)樗械淖呔€都是一條潛在的既可接收也可發(fā)射RF信號(hào)的天線，所以，將射頻信號(hào)與關(guān)鍵線路、零組件隔離是必須的。

這些去耦組件的實(shí)體位置通常也很關(guān)鍵。這幾個(gè)重要組件的布局原則是：C4要盡可能靠近IC接腳并接地，C3必須最靠近C4，C2必須最靠近C3，而且IC接腳與C4的連接走線要盡可能短，這幾個(gè)組件的接地端(尤其是C4)通常應(yīng)當(dāng)藉由板面下第一個(gè)接地層與芯片的接地腳相連。將組件與接地層相連的過孔應(yīng)該盡可能靠近PCB板上的組件焊盤，最好是使用打在焊盤上的盲孔將連接線電感減到最小，電感L1應(yīng)該靠近C1。

一個(gè)集成電路或放大器常常具有一個(gè)開集極(open collector)輸出，因此需要一個(gè)上拉電感(pullup inductor)來提供一個(gè)高阻抗RF負(fù)載和一個(gè)低阻抗直流電源，同樣的原則也適用于對(duì)這一電感的電源端進(jìn)行去耦。有些芯片需要多個(gè)電源才能工作，因此可能需要兩到三套電容和電感來分別對(duì)它們進(jìn)行去耦處理，如果該芯片周圍沒有足夠的空間，那么去耦效果可能不佳。

尤其需要特別注意的是:電感極少平行靠在一起，因?yàn)檫@將形成一個(gè)空芯變壓器，并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號(hào)，因此它們之間的距離至少要相當(dāng)于其中之一的高度，或者成直角排列以使其互感減到最小。

電氣分區(qū)

電氣分區(qū)原則上與實(shí)體分區(qū)相同，但還包含一些其它因素?，F(xiàn)代行動(dòng)電話的某些部份采用不同工作電壓，并借助軟件對(duì)其進(jìn)行控制，以延長(zhǎng)電池工作壽命。這意味著行動(dòng)電話需要運(yùn)行多種電源，而這產(chǎn)生更多的隔離問題。電源通常由連接線(connector)引入，并立即進(jìn)行去耦處理以濾除任何來自電路板外部的噪音，然后經(jīng)過一組開關(guān)或穩(wěn)壓器，之后，進(jìn)行電源分配。

在行動(dòng)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(dú)設(shè)計(jì)出一條盡可能寬的大電流線路，以使發(fā)射時(shí)的壓降(voltage drop)能減到最低。為了避免太多電流損耗，需要利用多個(gè)過孔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接腳端對(duì)它進(jìn)行充分的去耦，那么高功率噪音將會(huì)輻射到整塊電路板上，并帶來各種各樣的問題。高功率放大器的接地相當(dāng)重要，并經(jīng)常需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)金屬屏蔽罩。

RF輸出必須遠(yuǎn)離RF輸入

在大多數(shù)情況下，必須做到RF輸出遠(yuǎn)離RF輸入。這原則也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞的情況下，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?，那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。它們可能會(huì)變得不穩(wěn)定，并將噪音和互調(diào)相乘信號(hào)(intermodulation products)添加到RF信號(hào)上。

如果射頻信號(hào)線從濾波器的輸入端繞回輸出端，這可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出得到良好的隔離，首先在濾波器周圍必須是一塊主接地面積，其次濾波器下層區(qū)域也必須是一塊接地面積，并且此接地面積必須與圍繞濾波器的主接地連接起來。把需要穿過濾波器的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離濾波器接腳也是個(gè)好方法。此外，整塊電路板上各個(gè)地方的接地都要十分小心，否則可能會(huì)在不知不覺中引入一條不希望發(fā)生的耦合信道。(圖二)詳細(xì)說明了這一接地辦法。

有時(shí)可以選擇走單端(single-ended)或平衡的RF信號(hào)線(balanced RF traces)，有關(guān)串音(crosstalk)和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號(hào)線如果走線正確的話，可以減少噪音和串音，但是它們的阻抗通常比較高。而且為了得到一個(gè)阻抗匹配的信號(hào)源、走線和負(fù)載，需要保持一個(gè)合理的線寬，這在實(shí)際布線時(shí)可能會(huì)有困難。

圖二　濾波器四周被接地面（綠色區(qū)域）包圍
緩沖器

緩沖器可以用來提高隔離效果，因?yàn)樗砂淹粋€(gè)信號(hào)分為兩個(gè)部份，并用于驅(qū)動(dòng)不同的電路。尤其是本地振蕩器可能需要緩沖器來驅(qū)動(dòng)多個(gè)混頻器。當(dāng)混頻器在RF頻率處到達(dá)共模隔離(common mode isolation)狀態(tài)時(shí)，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(huì)相互干擾。

緩沖器對(duì)設(shè)計(jì)的幫助很大，它們可以緊跟在需要被驅(qū)動(dòng)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(hào)電平比較低，因此它們不易對(duì)板上的其它電路造成干擾。

壓控振蕩器

壓控振蕩器(VCO)可將變化的電壓轉(zhuǎn)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音轉(zhuǎn)換為微小的頻率變化，而這就給RF信號(hào)增加了噪音?？傊趬嚎卣袷幤魈幚磉^以后，再也沒有辦法從RF輸出信號(hào)中將噪音去掉。困難在于VCO控制線(control line)的期望頻寬范圍可能從DC到2MHz，而藉由濾波器來去掉這么寬的頻帶噪音幾乎是不可能的；其次，VCO控制線通常是一個(gè)控制頻率的反饋回路的一部份，它在很多地方都有可能引入噪音，因此必須非常小心處理VCO控制線。

諧振電路

諧振電路(tank circuit)用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，它與VCO有關(guān)，但也有它自己的特點(diǎn)。簡(jiǎn)單地說，諧振電路是由一連串具有電感電容的二極管并連而成的諧振電路，它有助于設(shè)定VCO工作頻率和將語音或數(shù)據(jù)調(diào)變到RF載波上。

所有VCO的設(shè)計(jì)原則同樣適用于諧振電路。由于諧振電路含有數(shù)量相當(dāng)多的零組件、占據(jù)面積大、通常運(yùn)行在一個(gè)很高的RF頻率下，因此諧振電路通常對(duì)噪音非常敏感。信號(hào)通常排列在芯片的相鄰接腳上，但這些信號(hào)接腳又需要與較大的電感和電容配合才能工作，這反而需要將這些電感和電容的位置盡量靠近信號(hào)接腳，并連回到一個(gè)對(duì)噪音很敏感的控制環(huán)路上，但是又要盡量避免噪音的干擾。要做到這點(diǎn)是不容易的。

自動(dòng)增益控制放大器

自動(dòng)增益控制(AGC)放大器同樣是一個(gè)容易出問題的地方，不管是發(fā)射還是接收電路都會(huì)有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪音，不過由于行動(dòng)電話具備處理發(fā)射和接收信號(hào)強(qiáng)度快速變化的能力，因此要求AGC電路有一個(gè)相當(dāng)大的頻寬，這就使AGC放大器很容易引入噪音。

設(shè)計(jì)AGC線路必須遵守模擬電路的設(shè)計(jì)原則，亦即使用很短的輸入接腳和很短的反饋路徑，而且這兩處都必須遠(yuǎn)離RF、IF或高速數(shù)字信號(hào)線路。同樣，良好的接地也必不可少，而且芯片的電源必須得到良好的去耦。如果必須在輸入或輸出端設(shè)計(jì)一條長(zhǎng)的走線，那么最好是選擇在輸出端實(shí)現(xiàn)它，因?yàn)?，通常輸出端的阻抗要比輸入端低得多，而且也不容易引入噪音。通常信?hào)電平越高，就越容易將噪音引入到其它電路中。

接地

要確保RF走線下層的接地是實(shí)心的，而且所有的零組件都要牢固地連接到主接地上，并與其它可能帶來噪音的走線隔離開來。此外，要確保VCO的電源已得到充分去耦，由于VCO的RF輸出往往是一個(gè)相當(dāng)高的電平，VCO輸出信號(hào)很容易干擾其它電路，因此必須對(duì)VCO加以特別注意。事實(shí)上，VCO往往放在RF區(qū)域的末端，有時(shí)它還需要一個(gè)金屬屏蔽罩。

在所有PCB設(shè)計(jì)中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一個(gè)大原則，它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì)。公共模擬接地和用于屏蔽和隔開信號(hào)線的接地通常是同等重要的。同樣應(yīng)使RF線路遠(yuǎn)離模擬線路和一些很關(guān)鍵的數(shù)字信號(hào)，所有的RF走線、焊盤和組件周圍應(yīng)盡可能是接地銅皮，并盡可能與主接地相連。微型過孔（microvia）構(gòu)造板在RF線路開發(fā)階段很有用，它毋須花費(fèi)任何開銷就可隨意使用很多過孔，否則在普通PCB板上鉆孔將會(huì)增加開發(fā)成本，這在大批量產(chǎn)時(shí)是不經(jīng)濟(jì)的。

將一個(gè)實(shí)心的整塊接地面直接放在表面下第一層時(shí)，隔離效果最好。將接地面分成幾塊來隔離模擬、數(shù)字和RF線路時(shí)，其效果并不好，因?yàn)樽罱K總是有一些高速信號(hào)線要穿過這些分開的接地面，這不是很好的設(shè)計(jì)。

還有許多與信號(hào)和控制線相關(guān)的課題需要特別注意，但它們超出了本文探討的范圍。

結(jié)語

不論RF PCB設(shè)計(jì)是不是一門「黑色藝術(shù)」，遵守一些基本的RF設(shè)計(jì)規(guī)則和參考一些優(yōu)異的設(shè)計(jì)實(shí)例將有助于完成RF設(shè)計(jì)工作。成功的RF設(shè)計(jì)必須仔細(xì)注意整個(gè)設(shè)計(jì)過程中每個(gè)步驟及每個(gè)細(xì)節(jié)，這意味著必須在設(shè)計(jì)開始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃，并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟的進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)的*估。而這種細(xì)致的設(shè)計(jì)技巧正是國內(nèi)大多數(shù)電子企業(yè)文化所欠缺的。