【無線射頻工藝】-射頻（RF）產(chǎn)品設(shè)計的PCB布線技巧

1/1射頻（RF）產(chǎn)品設(shè)計的PCB布線技巧一輪藍(lán)牙設(shè)備、無繩電話和蜂窩電話需求正促使中國電子工程師越來越關(guān)注RF電路設(shè)計技巧。RF電路板的設(shè)計是最令設(shè)計工程師感到頭疼的部分，如想一次獲得勝利，認(rèn)真規(guī)劃和注意細(xì)節(jié)是必需加以高度重視的兩大關(guān)鍵設(shè)計規(guī)章。

射頻(RF)電路板設(shè)計由于在理論上還有許多不確定性，因此常被形容為一種"黑色藝術(shù)'，但這個觀點只有部分正確，RF電路板設(shè)計也有很多可以遵循的準(zhǔn)則和不應(yīng)當(dāng)被忽視的法則。不過，在實際設(shè)計時，真正有用的技巧是當(dāng)這些準(zhǔn)則和法則因各種設(shè)計約束而無法精確?????地實施時如何對它們進(jìn)行折衷處理。

當(dāng)然，有很多重要的RF設(shè)計課題值得爭論，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，不過，本文將集中探討與RF電路板分區(qū)設(shè)計有關(guān)的各種問題。

今日的蜂窩電話設(shè)計以各種方式將全部的東西集成在一起，這對RF電路板設(shè)計來說很不利?，F(xiàn)在業(yè)界競爭特別激烈，人人都在找方法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。模擬、數(shù)字和RF電路都緊密地擠在一起，用來隔開各自問題區(qū)域的空間特別小，而且考慮到成本因素，電路板層數(shù)往往又減到最小。令人感到不行思議的是，多用途芯片可將多種功能集成在一個特別小的裸片上，而且連接外界的引腳之間排列得又特別緊密，因此RF、IF、模擬和數(shù)字信號特別靠近，但它們通常在電氣上是不相干的。電源安排可能對設(shè)計者來說是一個噩夢，為了延長電池壽命，電路的不同部分是依據(jù)需要而分時工作的，并由軟件來掌握轉(zhuǎn)換。這意味著你可能需要為你的蜂窩電話供應(yīng)5到6種工作電源。

RF布局概念

在設(shè)計RF布局時，有幾個總的原則必需優(yōu)先加以滿意：

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，簡潔地說，就是讓高功率RF放射電路遠(yuǎn)離低功率RF接收電路。假如你的PCB板上有許多物理空間，那么你可以很簡單地做到這一點，但通常元器件許多，PCB空間較小，因而這通常是不行能的。你可以把他們放在PCB板的兩面，或者讓它們交替工作，而不是同時工作。高功率電路有時還可包括RF緩沖器和壓掌握振蕩器(VCO)。

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(dāng)然，銅皮越多越好。稍后，我們將爭論如何依據(jù)需要打破這個設(shè)計原則，以及如何避開由此而可能引起的問題。

芯片和電源去耦同樣也極為重要，稍后將爭論實現(xiàn)這個原則的幾種方法。

RF輸出通常需要遠(yuǎn)離RF輸入，稍后我們將進(jìn)行具體爭論。

敏感的模擬信號應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號和RF信號。

如何進(jìn)行分區(qū)？

設(shè)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)可以連續(xù)分解為電源安排、RF走線、敏感電路和信號以及接地等的分區(qū)。

首先我們爭論物理分區(qū)問題。元器件布局是實現(xiàn)一個優(yōu)秀RF設(shè)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(diào)整其朝向以將RF路徑的長度減到最小，使輸入遠(yuǎn)離輸出，并盡可能遠(yuǎn)地分別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)支配在表層下的其次層，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削減路徑電感，而且還可以削減主地上的虛焊點，并可削減RF能量泄漏到層疊板內(nèi)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，因此必需當(dāng)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地。正確的RF路徑對整塊PCB板的性能而言特別重要，這也就是為什么元器件布局通常在蜂窩電話PCB板設(shè)計中占大部分時間的緣由。

在蜂窩電話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(shù)是在兩面都使用盲孔?？梢酝ㄟ^將直通過孔支配在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，在這種狀況下就必需考慮采納金屬屏蔽罩將射頻能量屏蔽在RF區(qū)域內(nèi)，但金屬屏蔽罩也存在問題，例如：自身成本和裝配成本都很貴；形狀不規(guī)章的金屬屏蔽罩在制造時很難保證高精度，長方形或正方形金屬屏蔽罩又使元器件布局受到一些限制；金屬屏蔽罩不利于元器件更換和故障定位；由于金屬屏蔽罩必需焊在地上，必需與元器件保持一個適當(dāng)距離，因此需要占用珍貴的PCB板空間。

盡可能保證屏蔽罩的完整特別重要，進(jìn)入金屬屏蔽罩的數(shù)字信號線應(yīng)當(dāng)盡可能走內(nèi)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，不過缺口處四周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。盡管有以上的問題，但是金屬屏蔽罩特別有效，而且經(jīng)常還是隔離關(guān)鍵電路的唯一解決方案。

此外，恰當(dāng)和有效的芯片電源去耦也特別重要。很多集成了線性線路的RF芯片對電源的噪音特別敏感，通常每個芯片都需要采納高達(dá)四個電容和一個隔離電感來確保濾除全部的電源噪音(見圖1)。

最小電容值通常取決于其自諧振頻率和低引腳電感，C4的值就是據(jù)此選擇的。C3和C2的值由于其自身引腳電感的關(guān)系而相對較大一些，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聲信號。電感L1使RF信號無法從電源線耦合到芯片中。記住：全部的走線都是一條潛在的既可接收也可放射RF信號的天線，另外將感應(yīng)的射頻信號與關(guān)鍵線路隔離開也很必要。

這些去耦元件的物理位置通常也很關(guān)鍵，圖2表示了一種典型的布局方法。這幾個重要元件的布局原則是：C4要盡可能靠近IC引腳并接地，C3必需最靠近C4，C2必需最靠近C3，而且IC引腳與C4的連接走線要盡可能短，這幾個元件的接地端(尤其是C4)通常應(yīng)當(dāng)通過下一地層與芯片的接地引腳相連。將元件與地層相連的過孔應(yīng)當(dāng)盡可能靠近PCB板上元件焊盤，最好是使用打在焊盤上的盲孔以將連接線電感減到最小，電感應(yīng)當(dāng)靠近C1。

一塊集成電路或放大器經(jīng)常帶有一個開漏極輸出，因此需要一個上拉電感來供應(yīng)一個高阻抗RF負(fù)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(jìn)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(jìn)行去耦處理，假如該芯片四周沒有足夠空間的話，那么可能會遇到一些麻煩。

記住電感極少并行靠在一起，由于這將形成一個空芯變壓器并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號，因此它們之間的距離至少要相當(dāng)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。

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?，F(xiàn)代蜂窩電話的某些部分采納不同工作電壓，并借助軟件對其進(jìn)行掌握，以延長電池工作壽命。這意味著蜂窩電話需要運行多種電源，而這給隔離帶來了更多的問題。電源通常從連接器引入，并馬上進(jìn)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(guān)或穩(wěn)壓器之后對其進(jìn)行安排。

蜂窩電話里大多數(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，必需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。為了避開太多電流損耗，需要采納多個過孔來將電流從某一層傳遞到另一層。此外，假如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(dāng)關(guān)鍵，并常常需要為其設(shè)計一個金屬屏蔽罩。

在大多數(shù)狀況下，同樣關(guān)鍵的是確保RF輸出遠(yuǎn)離RF輸入。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞狀況下，假如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。在最好狀況下，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(diào)信號添加到RF信號上。

假如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(yán)峻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，首先必需在濾波器四周布一圈地，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(yuǎn)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非常當(dāng)心，否則你可能會在不知不覺之中引入一條你不盼望發(fā)生的耦合通道。圖3具體說明白這一接地方法。

有時可以選擇走單端或平衡RF信號線，有關(guān)交叉干擾和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號線假如走線正確的話，可以削減噪聲和交叉干擾，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(fù)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，由于它可把同一個信號分為兩個部分，并用于驅(qū)動不同的電路，特殊是本振可能需要緩沖器來驅(qū)動多個混頻器。當(dāng)混頻器在RF頻率處到達(dá)共模隔離狀態(tài)時，它將無本人常工作。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(shè)計的關(guān)心很大，它們可以緊跟在需要被驅(qū)動電路的后面，從而使高功率輸出走線特別短，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。

還有很多特別敏感的信號和掌握線需要特殊留意，但它們超出了本文探討的范圍，因此本文僅略作論述，不再進(jìn)行具體說明。

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，但它們同樣也將掌握電壓上的微量噪聲轉(zhuǎn)換為微小的頻率變化，而這就給RF信號增加了噪聲?？偟膩碚f，在這一級以后你再也沒有方法從RF輸出信號中將噪聲去掉。那么困難在哪里呢？首先，掌握線的期望頻寬范圍可能從DC直到2MHz，而通過濾波來去掉這么寬頻帶的噪聲幾乎是不行能的；其次，VCO掌握線通常是一個掌握頻率的反饋回路的一部分，它在許多地方都有可能引入噪聲，因此必需特別當(dāng)心處理VCO掌握線。

要確保RF走線下層的地是實心的，而且全部的元器件都堅固地連到主地上，并與其它可能帶來噪聲的走線隔離開來。此外，要確保VCO的電源已得到充分去耦，由于VCO的RF輸出往往是一個相對較高的電平，VCO輸出信號很簡單干擾其它電路，因此必需對VCO加以特殊留意。事實上，VCO往往布放在RF區(qū)域的末端，有時它還需要一個金屬屏蔽罩。

諧振電路(一個用于放射機，另一個用于接收機)與VCO有關(guān)，但也有它自己的特點。簡潔地講，諧振電路是一個帶有容性二極管的并行諧振電路，它有助于設(shè)置VCO工作頻率和將語音或數(shù)據(jù)調(diào)制到RF信號上。

全部VCO的設(shè)計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)多的元器件、板上分布區(qū)域較寬以及通常運行在一個很高的RF頻率下，因此諧振電路通常對噪聲特別敏感。信號通常排列在芯片的相鄰腳上，但這些信號引腳又需要與相對較大的電感和電容協(xié)作才能工作，這反過來要求這些電感和電容的位置必需靠得很近，并連回到一個對噪聲很敏感的掌握環(huán)路上。要做到這點是不簡單的。

自動增益掌握(AGC)放大器同樣是一個簡單出問題的地方，不管是放射還是接收電路都會有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲，不過由于蜂窩電話具備處理放射和接收信號強度快速變化的力量，因此要求AGC電路有一個相當(dāng)寬的帶寬，而這使某些關(guān)鍵電路上的AGC放大器很簡單引入噪聲。

設(shè)計AGC線路必需遵守良好的模擬電路設(shè)計技術(shù)，而這跟很短的運放輸入引腳和很短的反饋路徑有關(guān)，這兩處都必需遠(yuǎn)離RF、IF或高速數(shù)字信號走線。同樣，良好的接地也必不行少，而且芯片的電源必需得到良好的去耦。假如必需要在輸入或輸出端走一根長線，那么最好是在輸出端，通常輸出端的阻抗要低得多，而且也不簡單感應(yīng)噪聲。通常信號電平越高，就越簡單把噪聲引入到其它電路。

在全部PCB設(shè)計中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一條總的原則，它同樣也適用于RFPCB設(shè)計。公共模擬地和用于屏蔽和隔開信號線的地通常是同等重要的，問題在于假如沒有預(yù)見和事先認(rèn)真的方案，每次你能在這方面所做的事都很少。因此在設(shè)計早期階段，認(rèn)真的方案、考慮周全的元器件布局和徹底的布局評估都特別重要，由于疏忽而引起的設(shè)計更改將可能導(dǎo)致一個即將完成的設(shè)計又必需推倒重來。這一因疏忽而導(dǎo)致的嚴(yán)峻后果，無論如何對你的個人事業(yè)進(jìn)展來說不是一件好事。

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，全部的RF走線、焊盤和元件四周應(yīng)盡可能多填接地銅皮，并盡可能與主地相連。類似面包板的微型過孔構(gòu)造板在RF線路開發(fā)階段很有用，假如你選用了構(gòu)造板，那么你毋須花費任何開銷就可隨便使用許多過孔，否則在一般PCB板上鉆孔將會增加開發(fā)成本，而這在大批量生產(chǎn)時會增加成本。

假如RF走線必需穿過信號線，那么盡量在它們之間沿著RF走線布一層與主地相連的地。假如不行能的話，肯定要保證它們是十字交叉的，這可將容性耦合減到最小，同時盡可能在每根RF走線四周多布一些地，并把它們連到主地。此外，將并行RF走線之間的距離減到最小可以將感性耦合減到最小。

一個實心的整塊接地面直接放在表層下第一層時，隔離效果最好，盡管當(dāng)心一點設(shè)計時其它的做法也管用。我曾試過把接地面分成幾塊來隔離模擬、數(shù)字和RF線路，但我從未對結(jié)果感到滿足過，由于最終總是有一些高速信號線要穿過這些分開的地，這不是一件好事。

在PCB板的每一層，應(yīng)布上盡可能多的地，并把它們連到主地面。盡可能把走線靠在一起以增加內(nèi)部信號層和電源安排層的地塊數(shù)量，并適當(dāng)調(diào)整走線以便你能將地連接過孔布置到表層上的隔離地塊。應(yīng)當(dāng)避開在PCB各層上生成游離地，由于它們會像一個小天線那樣拾取或注入噪音。在