射频电路板设计技巧

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1、射频电路板设计技巧成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的进展进行全面持续的评估。而这种细致的 设计技巧正是国内大多数电子企业文化所欠缺的。近几年来，由于蓝芽设备、无线局域网络 (WLAN) 设备，和行动电 话的 需求与 成 长，促 使业 者越来 越 关注 RF 电 路 设计 的 技巧 。从过去 到现在，RF电路板设计如同电磁干扰(EMI)问题一样，一直是工程 师们最难掌控的部份，甚至是梦魇。若想要一次就设计成功，必须 事先仔细规划和注重细节才能奏效。射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，

2、因此常被 形容为一种黑色艺术(black ar t)。但这只是一种以偏盖全的观 点， RF 电路板设计还是有许多 可以遵循的法则。不 过，在 实际设计 时， 真正实用的技巧是当这些法则因 各种 限制而无法实施时， 如何 对它们进行折衷处理。 重要的 RF 设计课题包括：阻抗和阻抗匹配、 绝缘层材料和层叠板、波长和谐波.等. ，本文将集中探讨与 RF 电路 板分区设计有关的各种问题。微过孔的种类电路板上不 同 性质的电路必须分隔， 但是又要在不 产生电磁干扰 的最佳情况下连接，这就需要用到微过孔(microvia)。通常微过孔直 径为0.05mm 至0.20mm，这些过孔一般分为三类，即盲孔(b

3、lind via) 埋孔(bury via和通孔(through via)盲孔位于印刷线路板的顶层和底 层表面， 具有一定深度， 用 于表层线路和 下 面的内层线路的连接， 孔的 深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印 刷 线路板 内层的连接孔， 它不会延伸到 线路板的表面。上述两类孔都位于线 路板的内层， 层压前利用 通孔成型制程完成， 在过孔形成过程中可 能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为组件的黏着定位孔。采用分区技巧在设计RF电路板时，应尽可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音 放大器(LNA)隔离开来。简单的说RF接，就是

4、让高功率RF发射电 路远离低功率收电路。如果 PCB 板上有很多空间，那么可以很容易 地做到这一点。 但通常零组件很多时， PCB 空间就会变的很小， 因 此这是很难达到的。可以把它们放在 PCB 板的两面，或者让它们交 替工作，而不是同时工作。高功率电路有时还可包括RF缓冲器(buffer) 和 压 控 振 荡 器 (VCO) 。设计分区可以分成实体分区(physical par tit ionin和电气分区(Elec trical par tit ioning实体分区主要涉及零组件布局、方位和屏蔽 等问题；电气分区可以继续分成电源分配、RF走线、敏感电路和信 号、 接地等分区。实体分区零组

5、件布局是实现一个优异RF设计的关键，最有效的技术是首先 固定位于 RF 路径上的零组件，并调整其方位，使 RF 路径的长度减 到最小。并使RF输入远离RF输出，并尽可能远离高功率电路和低 功率电路。最有效的电路板堆栈方法是将主接地安排在表层下的第二层， 并 尽可能将RF线走在表层上。将RF路径上的过孔尺寸减到最小不仅 可以减少路径电感， 而且还可以减少主接地上的虚焊点， 并可减少 RF 能量泄漏到层叠板内其它区域的机会。在实体空间上，像 多级放大器这样的线性电路通常足以将多个 RF 区之间相互隔离开来，但是双工器、混频器和中频放大器总是有多 个 RF/IF 信号相互干扰，因此必须小心地将这一影

6、响减到最小。 RF 与 IF 走 线应 尽可能 走十 字交叉 ，并尽 可能 在它们 之 间隔一块 接 地面 积。 正确 的 RF 路 径对整 块 PCB 板的性 能而 言非常 重 要，这也 就是 为什 么零组 件 布局通常 在 行动 电 话 PCB 板设 计 中占大 部 份时间 的原 因。在行 动电 话 PCB 板 上，通常可 以 将低噪音 放 大器电 路放 在 PCB 板 的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最终藉由双工器在同一 面上 将它们 连 接到 RF 天线 的一 端和 基 频处 理 器的另 一端 。这需 要 一 些技 巧来确 保 RF 能 量不 会 藉由过 孔 ，从板的 一 面传递

7、 到另 一面 ，常 用的技术是在两面都使用盲孔。可 以藉由将盲孔安排在 PCB 板两面 都不 受 RF 干扰 的区 域， 来将过 孔 的不利影 响 减到 最 小。金属屏蔽罩有时，不太可能在多个电路区块之间保留足够的区隔，在这种情 况下 就必须 考 虑采用金 属 屏蔽 罩 将射频能 量 屏蔽在 RF 区 域内 ，但 金 属屏蔽罩也有副作用，例如：制造成本和装配成本都很高。外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精密度，长方形或 正方形金属屏蔽罩又使零组件布局受到一些限制；金属屏蔽罩不利 于零组件更换和故障移位；由于金属屏蔽罩必须焊在接地面上，而 且必须与零组件保持一个适当的距离，因 此需要占用宝

8、贵的 PCB 板 空间。尽可能保证金属屏蔽罩的完整非常重要，所以进入金属屏蔽罩的 数字信号线应该尽可能走内层，而且最好将信号线路层的下一层设 为接地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口处 的布线层走线出去，不过缺口处周围要尽可能被广大的接地面积包 围，不同信号层上的接地可藉由多个过孔连在一起。尽管有以上的缺点，但是金属屏蔽罩仍然非常有效，而且常常是 隔离 关键电 路 的 唯一解 决 方案 。电源去耦电路此外，恰当而有效的芯片电源去耦(decouple)电路也非常重要。许 多整合了线性线路的 RF 芯片对电源的噪音非常敏感，通常每个芯片 都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来滤除

9、全部的电源噪音。 (图一)最小电容值通常取 决于电容本身的谐振 频率和接脚电感，C4 的值就是据此选择的。 C3和C2的值由于其自 身接脚电感的关系而 相对比较大，从而RF 去耦效果要差一些，不 过它们较适合于滤除较低频率的噪音信号。RF 去耦则是由电感 L1 完成的，它使 RF 信号无法从电源线耦合到芯 片中。因为所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发射 RF 信号的 天线， 所以， 将射频信号与关键线路、零组件隔离是必须的。这些去耦组件的实体位置通常也很关键。 这几个重要组件的布局原则是：C4要尽可能靠近IC接脚并接地，C3必须最靠近C4，C2 必须最靠近C3，而且IC接脚与C4的连接走线

10、要尽可能短，这几个 组件的接地端（尤其是C4）通常应当藉由板面下第一个接地层与芯片 的接地脚相连。将组件与接地层相连的过孔应该尽可能靠近 PCB 板 上的组件焊盘， 最好是使用打在焊盘上的盲孔将连接线电感减到最 小 ， 电 感 L1 应 该 靠 近 C1 。一个集成电路或放大器常常具有一个开集极（open collector输出， 因此需要一个上拉电感（pullup indue tor来提供一个高阻抗RF负载和 一个低阻抗直流电源， 同样的原则也适用于对这一电感的电源端进 行去耦。有些芯片需要多个电源才能工作， 因此可能需要两到三套 电容和电感来分别对它们进行去耦处理， 如果该芯片周围没有足够

11、 的空间， 那么去耦效果可能不佳。尤其需要特别注意的是:电感极少平行靠在一起， 因为这将形成一 个空芯变压器， 并相互感应产生干扰信号， 因此它们之间的距离至 少要相当于其中之一的高度，或者成直角排列以使其互感减到最小。电气分区电气分区原则上与实体分区相同， 但还包含一些其它因素。现代 行动电话的某些部份采用不同工作电压，并借助软件对其进行控制 以延长电池工作寿命。这意味着行动电话需要运行多种电源， 而这 产生更多的隔离问题。电源通常由连接线（connector）引入，并立即进 行去耦处理以滤除任何来自电路板外部的噪音， 然后经过一组开关 或稳压器， 之后， 进行电源分配。在行动电话里， 大多

12、数电路的直流电流都相当小， 因此走线宽度 通常不是问题， 不过， 必须为高功率放大器的电源单独设计出一条 尽可能宽的大电流线路，以使发射时的压降（voltage drop能减到最 低。 为了避免太多电流损耗， 需要利用多个过孔将电流从某一层传 递到另一层。 此外， 如果不能在高功率放大器的电源接脚端对它进行充分的去耦，那么高功率噪音将会辐射到整块电路板上，并带来 各种各样的问题。高功率放大器的接地相当重要，并经常需要为其 设计一个金属屏蔽罩。RF输出必须远离RF输入在大 多数情 况 下，必须 做 到 RF 输 出 远离 RF 输 入。这 原 则也适 用 于放大器、缓冲器和滤波器。在最坏的情况下

13、，如果放大器和缓冲 器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的输入端，那么它们就有 可能产生自激振荡。它们可能会变得不稳定，并将噪音和互调相乘 信号（intermodulation products添加到 RF 信号上。如果射频信号线从滤波器的输入端绕回输出端，这可能会严重损 害滤波器的带通特性。 为了使输入和输出得到良好的隔离，首先在 滤波器周围必须是一块主接地面积，其次滤波器下层区域也必须是 一块接地面积，并且此接地面积必须与围绕滤波器的主接地连接起 来。 把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器接脚也是个好方 法。 此外，整块电路板上各个地方的接地都要十分小心，否则可能 会在不知不觉中引入一

14、条不希望发生的耦合信道。 （图二）详细说明 了这一接地办法。有时可以选择走单端（single-ended或平衡的RF信号线（balanced RF traces）有关串音（cross talk和EMC/EMI 的原则在这里同样适用。平 衡 RF 信号线如果走线正确的话，可以减少噪音和串音，但是它们的 阻抗通常比较高。 而且为了得到一个阻抗匹配的信号源、走线和负 载，需要保持一个合理的线宽，这在实际布线时可能会有困难。缓冲器缓冲器可以用来提 高隔离效果，因为它可 把同一个信号分为两 个部份，并用于驱动不 同的电路。尤其是本地RFin濾波器接地面振荡器可能需要缓冲 器来驱动多个混频器。当混频器在R

15、F频率处到达共模隔离（common mode isolation）犬态时，它将无法正常工作。缓冲器可以很好地隔离 不同频率处的阻抗变化， 从而电路之间不会相互干扰。缓冲器对设计的帮助很大， 它们可以紧跟在需要被驱动电路的后 面， 从而使高功率输出走线非常短， 由于缓冲器的输入信号电平比 较低， 因此它们不易对板上的其它电路造成干扰。压控振荡器压控振荡器（VCO）可将变化的电压转换为变化的频率，这一特性被 用于高速频道切换， 但它们同样也将控制电压上的微量噪音转换为 微小的频率变化，而这就给 RF 信号增加了噪音。总之，在压控振荡 器处理过以后，再也没有办法从 RF 输出信号中将噪音去掉。困难在

16、 于VCO 控制线（con trol 1讪的）期望频宽范围可能从DC到2MHz ，而 藉由滤波器来去掉这么宽的频带噪音几乎是不可能的；其次， VCO 控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部份， 它在很多地方都 有可能引入噪音， 因此必须非常小心处理 VCO 控制线。谐振电路谐振电路（t ank circui用于发射机和接收机，它与VCO有关，但也 有它自己的特点。 简单地说， 谐振电路是由一连串具有电感电容的 二极 管并连 而 成的谐振 电 路，它 有助于 设 定 VCO 工作频 率 和将语 音 或数 据调变 到 RF 载 波上 。所有 VCO 的设计原则同样适用于谐振电路。由 于谐振电路含有数 量相 当多的 零 组件、占据 面 积大 、通常 运行在 一 个很高 的 RF 频率 下 因此谐振电路通常对噪音非常敏感。信号通常排列在芯片的相邻接 脚上，但这些信号接脚又需要与较大的电