射频电路PCB设计技巧

周一, 14 九月 2020 - 11:24

由于射频(RF)电路为分布参数电路，在电路的实际工作中容易产生趋肤效应和耦合效应，所以在实际的PCB设计中，会发现电路中的干扰辐射难以控制。

如：数字电路和模拟电路之间相互干扰、供电电源的噪声干扰、地线不合理带来的干扰等问题。

正因为如此，如何在PCB的设计过程中，权衡利弊寻求一个合适的折中点，尽可能地减少这些干扰，甚至能够避免部分电路的干涉，是射频电路PCB设计成败的关键。

文中从PCB的LAYOUT角度，提供了一些处理的技巧，对提高射频电路的抗干扰能力有较大的用处。

一. RF布局

这里讨论的主要是多层板的元器件位置布局。

元器件位置布局的关键是固定位于RF路径上的元器件，通过调整其方向，使RF路径的长度最小，并使输入远离输出，尽可能远地分离高功率电路和低功率电路，敏感的模拟信号远离高速数字信号和RF信号。

在布局中常采用以下一些技巧：

1. 一字形布局

RF主信号的元器件尽可能采用一字形布局，如图1所示。

但是由于PCB板和腔体空间的限制，很多时候不能布成一字形，这时候可采用L形，最好不要采用U字形布局(如图2所示)，有时候实在避免不了的情况下，尽可能拉大输入和输出之间的距离，至少1.5cm以上。

图1 一字形布局

图2 L形和U字形布局

另外在采用L形或U字形布局时，转折点最好不要刚进入接口就转，如图3左所示，而是在稍微有段直线以后再转，如图3右图所示。

图3 两种方案

2. 相同或对称布局

相同的模块尽可能做成相同的布局或对称的布局，如图4、图5所示。

图4 相同布局

图5 对称布局

3. 十字形布局

偏置电路的馈电电感与RF通道垂直放置，如图6所示，主要是为了避免感性器件之间的互感。

图6 十字形布局

5. 45度布局

为合理的利用空间，可以将器件45度方向布局，使射频线尽可能短，如图7所示。

图7 45度布局

二.  RF布线

布线的总体要求是：RF信号走线短且直，减少线的突变，少打过孔，不与其它信号线相交，RF信号线周边尽量多加地过孔。

以下是一些常用的优化方式：

1. 渐变线处理

在射频线宽比IC器件管脚的宽度大比较多的情况下，接触芯片的线宽采用渐变方式，如图8所示。

图8 渐变线

2. 圆弧线处理

射频线不能直的情况下，作圆弧线处理，这样可以减少RF信号对外的辐射和相互问的耦合。有实验证明，传输线的拐角采用变曲的直角，能最大限度的降低回损。如图9所示。

图9 圆弧线

3. 地线和电源

地线尽可能粗。在有条件的情况下，PCB的每一层都尽可能的铺地，并使地连到主地上，多打地过孔，尽量降低地线阻抗。

RF电路的电源尽量不要采用平面分割，整块的电源平面不但增加了电源平面对RF信号的辐射，而且也容易被RF信号的干扰。所以电源线或平面一般采用长条形状，根据电流的大小进行处理，在满足电流能力的前提下尽可能粗，但是又不能无限制的增宽。在处理电源线的时候，一定要避免形成环路。

电源线和地线的方向要与RF信号的方向保持平行但不能重叠，在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。

4. 十字交叉处理

RF信号与IF信号走线十字交叉，并尽可能在他们之间隔一块地。

RF信号与其他信号走线交叉时，尽量在它们之间沿着RF走线布置一层与主地相连的地。如果不可能，一定要保证它们是十字交叉的。这里的其他信号走线也包括电源线。

5. 包地处理

对射频信号、干扰源、敏感信号及其他重要信号进行包地处理，这样既可以提高该信号的抗干扰能力，也可以减少该信号对其他信号的干扰。如图10所示。

图10 包地处理

6. 铜箔处理

铜箔处理要求圆滑平整，不允许有长线或尖角，若不能避免，则在尖角、细长铜箔或铜箔的边缘处补几个地过孔。

7. 间距处理

射频线离相邻地平面边缘至少要有3W的宽度，且3W范围内不得有非接地过孔。

图11 间距

同层的射频线要作包地处理，并在地铜皮上加地过孔，孔间距应小于信号频率所对应波长(λ)的1／20，均匀排列整齐。包地铜皮边缘离射频线2W的宽度或3H的高度，H表示相邻介质层的总厚度。

三. 腔体处理

对整个RF电路，应把不同模块的射频单元用腔体隔离，特别是敏感电路和强烈辐射源之间，在大功率的多级放大器中，也应保证级与级之间的隔离。

整个电路支流放置好后，就是对屏蔽腔的处理，屏蔽腔体的处理有以下注意事项：

整个屏蔽腔体尽量做成规则形状，便于铸模。对于每一个屏蔽腔尽量做成长方形，避免正方形的屏蔽腔。

屏蔽腔的转角采用弧形，屏蔽金属腔体一般采用铸造成型，弧形的拐角便于铸造成型时候拔模。如图12所示。

图12 腔体

屏蔽腔体的周边是密封的，接口的线引入腔体一般采用带状线或微带线，而腔体内部不同模块采用微带线，不同腔体相连处采用开槽处理，开槽的宽度为3mm，微带线走在正中间。

腔体的拐角放置3mm的金属化孔，用来固定屏蔽壳，在每支长的腔体上也要均匀放置同等的金属化孔，用来加固支撑作用。

腔体一般做开窗处理，便于焊接屏蔽壳，腔体上一般厚2 mm以上，腔体上加2排开窗过孔屏，过孔相互错开，同一排过孔之间间距150MIL。

四. 结束语

射频电路PCB设计成败的关键在于如何减少电路辐射，从而提高抗干扰能力，但是在实际的布局与布线中一些问题的处理是相冲突的，因此如何寻求一个折中点，使整个射频电路的综合性能达到最优，是设计者必须要考虑的问题。

所有这些都要求设计者具有一定的实践经验和工程设计能力，但是要具备这些能力，每一个设计者都不可能一蹴而就的，只有从其他人那里借鉴经验，加上自己的不停摸索和思考，才能不断进步。

文章总结了工作中的一些设计经验，有利于提高射频电路PCB的抗干扰能力，帮助射频电路设计初学者少走不必要的弯路。

PCB射频电路四大基础特性

本文从射频界面、小的期望信号、大的干扰信号、相邻频道的干扰四个方面解读射频电路四大基础特性，并给出了在PCB设计过程中需要特别注意的重要因素。

1. 射频电路仿真之射频的界面

无线发射器和接收器在概念上，可分为基频与射频两个部份。基频包含发射器的输入信号之频率范围，也包含接收器的输出信号之频率范围。基频的频宽决定了数据在系统中可流动的基本速率。

基频是用来改善数据流的可靠度，并在特定的数据传输率之下，减少发射器施加在传输媒介（transmission medium）的负荷。

因此，PCB设计基频电路时，需要大量的信号处理工程知识。

发射器的射频电路能将已处理过的基频信号转换、升频至指定的频道中，并将此信号注入至传输媒体中。

相反的，接收器的射频电路能自传输媒体中取得信号，并转换、降频成基频。

发射器有两个主要的PCB设计目标：第一是它们必须尽可能在消耗最少功率的情况下，发射特定的功率。第二是它们不能干扰相邻频道内的收发机之正常运作。

就接收器而言，有三个主要的PCB设计目标：首先，它们必须准确地还原小信号；第二，它们必须能去除期望频道以外的干扰信号；最后一点与发射器一样，它们消耗的功率必须很小。

2. 射频电路仿真之大的干扰信号

接收器必须对小的信号很灵敏，即使有大的干扰信号（阻挡物）存在时。

这种情况出现在尝试接收一个微弱或远距的发射信号，而其附近有强大的发射器在相邻频道中广播。

干扰信号可能比期待信号大60~70 dB，且可以在接收器的输入阶段以大量覆盖的方式，或使接收器在输入阶段产生过多的噪声量，来阻断正常信号的接收。

如果接收器在输入阶段，被干扰源驱使进入非线性的区域，上述的那两个问题就会发生。为避免这些问题，接收器的前端必须是非常线性的。

因此，“线性”也是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素。

由于接收器是窄频电路，所以非线性是以测量“交调失真（intermodulation distortion）”来统计的。

这牵涉到利用两个频率相近，并位于中心频带内（in band）的正弦波或余弦波来驱动输入信号，然后再测量其交互调变的乘积。

大体而言，SPICE是一种耗时耗成本的仿真软件，因为它必须执行许多次的循环运算以后，才能得到所需要的频率分辨率，以了解失真的情形。

3. 射频电路仿真之小的期望信号

接收器必须很灵敏地侦测到小的输入信号。一般而言，接收器的输入功率可以小到1 μV。

接收器的灵敏度被它的输入电路所产生的噪声所限制。因此，噪声是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素。

而且，具备以仿真工具来预测噪声的能力是不可或缺的。附图一是一个典型的超外差（superheterodyne）接收器。接收到的信号先经过滤波，再以低噪声放大器（LNA）将输入信号放大。

然后利用第一个本地振荡器（LO）与此信号混合，以使此信号转换成中频（IF）。前端（front-end）电路的噪声效能主要取决于LNA、混合器（mixer）和LO。

虽然使用传统的SPICE噪声分析，可以寻找到LNA的噪声，但对于混合器和LO而言，它却是无用的，因为在这些区块中的噪声，会被很大的LO信号严重地影响。

小的输入信号要求接收器必须具有极大的放大功能，通常需要120 dB这么高的增益。在这么高的增益下，任何自输出端耦合（couple）回到输入端的信号都可能产生问题。

使用超外差接收器架构的重要原因是，它可以将增益分布在数个频率里，以减少耦合的机率。

这也使得第一个LO的频率与输入信号的频率不同，可以防止大的干扰信号“污染”到小的输入信号。

因为不同的理由，在一些无线通讯系统中，直接转换（direct conversion）或内差（homodyne）架构可以取代超外差架构。

在此架构中，射频输入信号是在单一步骤下直接转换成基频，因此，大部份的增益都在基频中，而且LO与输入信号的频率相同。

在这种情况下，必须了解少量耦合的影响力，并且必须建立起“杂散信号路径（stray signal path）”的详细模型，譬如：穿过基板（substrate）的耦合、封装脚位与焊线（bondwire）之间的耦合、和穿过电源线的耦合。

4. 射频电路仿真之相邻频道的干扰

失真也在发射器中扮演着重要的角色。发射器在输出电路所产生的非线性，可能使传送信号的频宽散布于相邻的频道中。这种现象称为“频谱的再成长（spectral regrowth）”。

在信号到达发射器的功率放大器（PA）之前，其频宽被限制着；但在PA内的“交调失真”会导致频宽再次增加。如果频宽增加的太多，发射器将无法符合其相邻频道的功率要求。

当传送数字调变信号时，实际上，是无法用SPICE来预测频谱的再成长。因为大约有1000个数字符号（symbol）的传送作业必须被仿真，以求得代表性的频谱，并且还需要结合高频率的载波，这些将使SPICE的瞬态分析变得不切实际。

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