通常情況下，對于微波以下頻段的電路( 包括低頻和低頻數字電路) ，在全面掌握各類(lèi)設計原則前提下的仔細規劃是一次性成功設計的保證。對于微波以上頻段和高頻的PC類(lèi)數字電路，則需要2~3個(gè)版本的PCB方能保證電路品質(zhì)。
RF無(wú)線(xiàn)射頻電路設計中的常見(jiàn)問(wèn)題
射頻(RF) PCB設計，在目前公開(kāi)出版的理論上具有很多不確定性，常被形容為一種“黑色藝術(shù)”。通常情況下，對于微波以下頻段的電路( 包括低頻和低頻數字電路) ，在全面掌握各類(lèi)設計原則前提下的仔細規劃是一次性成功設計的保證。對于微波以上頻段和高頻的PC類(lèi)數字電路，則需要2~3個(gè)版本的PCB方能保證電路品質(zhì)。而對于微波以上頻段的RF電路，則往往需要更多版本的PCB設計并不斷完善，而且是在具備相當經(jīng)驗的前提下。由此可知RF電設計上的困難。
數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(gè)電源一起工作， 整個(gè)系統很可能就不穩定。這主要是因為數字信號頻繁地在地和正電源( 大于3 V) 之間擺動(dòng)，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(shí)間， 使得這些數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(wú)線(xiàn)調諧回路傳到無(wú)線(xiàn)設備接收部分的信號一般小于1μV。因此數字信號與射頻信號之間的差別會(huì )達到120dB。顯然， 如果不能使數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(lái)，無(wú)線(xiàn)設備工作性能就會(huì )惡化，甚至完全不能工作。
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(huì )在每個(gè)內部時(shí)鐘周期內短時(shí)間突然吸入大部分電流，這是由于現代微控制器都采用CMOS工藝制造。因此假設一個(gè)微控制器以1MHz的內部時(shí)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(xiàn)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(shí)可能導致工作失效。
不合理的地線(xiàn)
如果RF 電路的地線(xiàn)處理不當，可能產(chǎn)生一些奇怪的現象。對于數字電路設計，即使沒(méi)有地線(xiàn)層，大多數數字電路功能也表現良好。而在RF 頻段，即使一根很短的地線(xiàn)也會(huì )如電感器一樣作用。粗略地計算，每毫米長(cháng)度的電感量約為1nH，433MHz時(shí)10mmPCB線(xiàn)路的感抗約27Ω。如果不采用地線(xiàn)層，大多數地線(xiàn)將會(huì )較長(cháng)，電路將無(wú)法具有設計的特性。
天線(xiàn)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/數轉換(ADC)或數/模轉換器(DAC)。射頻發(fā)送器的天線(xiàn)發(fā)出的高頻信號可能會(huì )到達ADC的模擬輸入端。因為任何電路線(xiàn)路都可能如 天線(xiàn)一樣發(fā)出或接收RF信號。如果ADC輸入端的處理不合理，RF信號可能在A(yíng)DC輸入的ESD二極管內自激，從而引起ADC偏差。
RF電路設計原則及方案
RF布局概念
在設計RF布局時(shí)，必須優(yōu)先滿(mǎn)足以下幾個(gè)總原則：
(1)盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開(kāi)來(lái)，簡(jiǎn)單地說(shuō) 就是讓高功率RF發(fā)射電路遠離低功率RF 接收電路;
(2)確保PCB板上高功率區至少有一整塊地，最好上面沒(méi)有過(guò)孔，當然，銅箔面積越大越好;
(3)電路和電源去耦同樣也極為重要;
(4)RF輸出通常需要遠離RF輸入;
(5)敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數字信號和RF信號。
物理分區和電氣分區設計原則
設計分區可以分解為物理分區和電氣分區。物理分區主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等; 電氣分區可以繼續分解為電源分配、RF走線(xiàn)、敏感電路和信號以及接地等的分區。
物理分區原則
(1)元器件位置布局原則。元器件布局是實(shí)現一個(gè)優(yōu)秀RF設計的關(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整其方向，以便將RF路徑的長(cháng)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。
(2)PCB堆疊設計原則。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(xiàn)布置在表層上。將RF路徑上的過(guò)孔尺寸減到最小，這不僅可以減少路徑電感， 而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn)， 并可減少RF能量泄漏到層疊板內其他區域的機會(huì )。
(3)射頻器件及其RF布線(xiàn)布局原則。在物理空間上，像多級放大器這樣的線(xiàn)性電路通常足以將多個(gè)RF區之間相互隔離開(kāi)來(lái)，但是雙工器、混頻器和中頻放大器/ 混頻器總是有多個(gè)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跡線(xiàn)應盡可能十字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對整塊PCB的性能非常重要，這就是元器件布局通常在蜂窩電話(huà)PCB設計中占大部分時(shí)間的原因。
(4) 降低高/低功率器件干擾耦合的設計原則。在蜂窩電話(huà)PCB上，通�？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB的某一面，而將高功率放大器放在另一面，并最終通過(guò)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(xiàn)上。要用技巧來(lái)確保通孔不會(huì )把RF能量從板的一面傳遞到另一面，常用的技術(shù)是在二面都使用盲孔�？梢酝ㄟ^(guò)將通孔安排在PCB板二面都不受RF干擾的區域來(lái)將通孔的不利影響減到最小。
電氣分區原則
(1) 功率傳輸原則。蜂窩電話(huà)中大多數電路的直流電流都相當小，因此，布線(xiàn)寬度通常不是問(wèn)題。不過(guò)，必須為高功率放大器的電源單獨設定一條盡可能寬的大電流線(xiàn)，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(gè)通孔來(lái)將電流從某一層傳遞到另一層。
(2)高功率器件的電源去耦。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(huì )輻射到整塊板上，并帶來(lái)多種的問(wèn)題。高功率放大器的接地相當關(guān)鍵，經(jīng)常需要為其設計一個(gè)金屬屏蔽罩。
(3)RF輸入/輸出隔離原則。在大多數情況下，同樣關(guān)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的相位和振幅反饋到它們的輸入端，那么它們就有可能產(chǎn)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定地工作。實(shí)際上，它們可能會(huì )變得不穩定，并將噪音和互調信號添加到RF 信號上。
(4)濾波器輸入/輸出隔離原則。如果射頻信號線(xiàn)不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端，那么，這可能會(huì )嚴重損害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出良好地隔離，首先必須在濾波器周?chē)贾靡蝗Φ�，其次濾波器下層區域也要布置一塊地，并與圍繞濾波器的主地連接起來(lái)。把需要穿過(guò)濾波器的信號線(xiàn)盡可能遠離濾波器引腳也是個(gè)好方法。此外，整塊板上各個(gè)地方的接地都要十分小心，否則可能會(huì )在不知覺(jué)之中引入一條不希望發(fā)生的耦合通道。
(5)數字電路和模擬電路隔離。在所有PCB設計中，盡可能將數字電路遠離模擬電路是一條總的原則，它同樣適用于RF PCB設計。公共模擬地和用于屏蔽和隔開(kāi)信號線(xiàn)的地通常是同等重要的，由于疏忽而引起的設計更改將可能導致即將完成的設計又必須推倒重來(lái)。同樣應使RF線(xiàn)路遠離模擬線(xiàn)路和一些很關(guān)鍵的數字信號，所有的RF走線(xiàn)、焊盤(pán)和元件周?chē)鷳M可能多地填接地銅皮，并盡可能與主地相連。如果RF 走線(xiàn)必須穿過(guò)信號線(xiàn)，那么盡量在它們之間沿著(zhù)RF 走線(xiàn)布置一層與主地相連的地。如果不可能，一定要保證它們是十字交叉的，這可將容性耦合減到最小，同時(shí)盡可能在每根RF走線(xiàn)周?chē)嗖家恍┑�，并把它們連到主地。此外，將并行RF走線(xiàn)之間的距離減到最小可使感性耦合減到最小。 |
