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如何设计好一块射频电路板

时间:2010-09-29 16:45:12

  成功的RF设计必需仔细留意整个设计过程中每个步骤及每个细节,这意味着必需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恰是海内大多数电子企业文化所欠缺的。
  近几年来,因为蓝牙设备、无线局域网络(WLAN)设备,和移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电路板设计犹如电磁干扰(EMI)题目一样,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,必需事先仔细规划和注重细节才能奏效。
  射频(RF)电路板设计因为在理论上还有良多不确定性,因此常被形容为一种「玄色艺术」(black art) 。但这只是一种以偏盖全的观点,RF电路板设计仍是有很多可以遵循的法则。不外,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,如何对它们进行折中处理。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题目。
  微过孔的种类
  电路板上不同性质的电路必需分隔,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(blind 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,简朴的说,就是让高功率RF发射电路阔别低噪音接收电路。假如PCB板上有良多空间,那么可以很轻易地做到这一点。但通常零组件良多时,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 partitioning)和电气分区(Electrical partitioning)。实体分区主要涉及零组件布局、方位和屏蔽等题目;电气分区可以继承分成电源分配、RF走线、敏感电路和信号、接地等分区。
  实体分区
  零组件布局是实现一个优异RF设计的枢纽,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输入阔别RF输出,并尽可能阔别高功率电路和低噪音电路。
  最有效的电路板堆栈方法是将主接地铺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老是有多个RF/IF信号相互干扰,因此必需小心地将这一影响减到最小。RF与IF走线应尽可能走十字交叉,并尽可能在它们之距离一块接地面积。准确的RF路径对整块PCB板的机能而言非常重要,这也就是为什么零组件布局通常在移动电话PCB板设计中占大部份时间的原因。
  在移动电话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,并终极藉由双工器在统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。可以藉由将盲孔铺排在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留存足够的区隔,在这种情况下就必需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:制造本钱和装配本钱都很高。
  形状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;因为金属屏蔽罩必需焊在接地面上,而且必需与零组件保持一个适当的间隔,因此需要占用宝贵的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,不外缺口处附近要尽可能被泛博的接地面积包抄,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,但是金属屏蔽罩仍旧非常有效,而且经常是隔离枢纽电路的独一解决方案。
  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。很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的值因为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,不外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。由于所有的走线都是一条潜伏的既可接收也可发射RF信号的天线,所以,将射频信号与枢纽线路、零组件隔离是必需的。
  这些去耦组件的实体位置通常也很枢纽。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必需最靠近C4,C2必需最靠近C3,而且IC接脚与C4的连接走线要尽可能短,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经常具有一个集电极开路输出(open collector),因此需要一个上拉电感(pullup inductor)来提供一个高阻抗RF负载和一个低阻抗直流电源,同样的原则也合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,假如该芯片附近没有足够的空间,那么去耦效果可能不佳。
  尤其需要特别留意的是:电感极少平行靠在一起,由于这将形成一个空芯变压器,并相互感应产生干扰信号,因此它们之间的间隔至少要相称于其中之一的高度,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。现代移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。这意味着移动电话需要具备多种电源,而这产生更多的隔离题目。电源通常由连接线(connector)引入,并立刻进行去耦处理以滤除任何来自电路板外部的噪音,然后经由一组开关或线性稳压器之后,进行电源分配。
  在移动电话里,大多数电路的直流电流都相称小,因此走线宽度通常不是题目,不外,必需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,以使发射时的瞬态压降(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,假如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,并带来各种各样的题目。高功率放大器的接地相称重要,并常常需要为其设计一个金属屏蔽罩。

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