试论射频电路PCB设计的困境和改善措施

电子万花筒 2022-12-03 09:47

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射频（RF）PCB 设计，在目前公开出版的理论上具有很多不确定性，常被形容为一种“黑色艺术”。通常情况下，对于微波以下频段的电路（包括低频和低频数字电路），在全面掌握各类设计原则前提下的仔细规划是一次性成功设计的保证。对于微波以上频段和高频的PC 类数字电路，则需要2~3 个版本的 PCB 方能保证电路品质。而对于微波以上频段的RF 电路，则往往需要更多版本的 PCB 设计并不断完善，而且是在具备相当经验的前提下。由此可知 RF 电设计上的困难。

典型的射频板

无线上网模块

布局前需要熟知产品架构和信号流向

1 RF 电路设计的常见问题

1.1 数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰
如果模拟电路（射频）和数字电路单独工作，可能各自工作良好。但是，一旦将二者放在同一块电路板上，使用同一个电源一起工作，整个系统很可能就不稳定。这主要是因为数字信号频繁地在地和正电源（>3 V）之间摆动，而且周期特别短，常常是纳秒级的。由于较大的振幅和较短的切换时间，使得这些数字信号包含大量且独立于切换频率的高频成分。在模拟部分，从无线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于1μV。因此数字信号与射频信号之间的差别会达到 120 dB。显然，如果不能使数字信号与射频信号很好地分离，微弱的射频信号可能遭到破坏，这样一来，无线设备工作性能就会恶化，甚至完全不能工作。

常见的干扰现象

数模射频混合电路分区设计

1.2 供电电源的噪声干扰
射频电路对于电源噪声相当敏感，尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸入大部分电流，这是由于现代微控制器都采用CMOS 工艺制造。因此，假设一个微控制器以 1 MHz 的内部时钟频率运行，它将以此频率从电源提取电流。如果不采取合适的电源去耦，必将引起电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺到达电路 RF 部分的电源引脚，严重时可能导致工作失效。

射频芯片电源布局及电容排布要注意规则

高速时钟重要信号走线走内层完整的参考平面及包裹保护

1.3 不合理的地线
如果 RF 电路的地线处理不当，可能产生一些奇怪的现象。对于数字电路设计，即使没有地线层，大多数数字电路功能也表现良好。而在 RF 频段，即使一根很短的地线也会如电感器一样作用。粗略地计算，每毫米长度的电感量约为 1 nH， 433 MHz时10 mm PCB 线路的感抗约 27Ω。如果不采用地线层，大多数地线将会较长，电路将无法具有设计的特性。

不合理接接地

1.4 天线对其他模拟电路部分的辐射干扰
在 PCB 电路设计中，板上通常还有其他模拟电路。例如，许多电路上都有模/ 数转换（ADC）或数/ 模转换器（DAC）。射频发送器的天线发出的高频信号可能会到达 ADC 的模拟输入端。因为任何电路线路都可能如天线一样发出或接收 RF 信号。如果 ADC输入端的处理不合理， RF 信号可能在 ADC 输入的ESD 二极管内自激，从而引起 ADC 偏差。

天线的禁布区和天线对内部电路相互干扰

2 RF 电路设计原则及方案
2.1 RF 布局概念
在设计 RF 布局时，必须优先满足以下几个总原则
（1）尽可能地把高功率 RF 放大器（HPA）和低噪音放大器（LNA）隔离开来，简单地说，就是让高功率RF 发射电路远离低功率 RF 接收电路。

功率放大电路PA偏置四分之一波长设计

一字排布原则

放大器偏置电感垂直排布

错误的放大器偏置布局

（2）确保 PCB 板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜箔面积越大越好。

足够的GND过孔改善信号接地和散热

射频滤波器等接地要充分

（3）电路和电源去耦同样也极为重要。
（4）RF 输出通常需要远离 RF 输入。
（5）敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和 RF 信号。

AD9361收发电路做好隔离及巴伦差分阻抗匹配

2.2 物理分区和电气分区设计原则
设计分区可以分解为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等; 电气分区可以继续分解为电源分配、RF 走线、敏感电路和信号以及接地等的分区。

射频走线及整版打孔

2.2.1 物理分区原则
（1）元器件位置布局原则。元器件布局是实现一个优秀 RF设计的关键，最有效的技术是首先固定位于 RF 路径上的元器件并调整其方向，以便将RF 路径的长度减到最小，使输入远离输出，并尽可能远地分离高功率电路和低功率电路。

RX/TX挖地或者屏蔽隔离

（2）PCB 堆叠设计原则。最有效的电路板堆叠方法是将主接地面（主地）安排在表层下的第二层，并尽可能将 RF 线布置在表层上。将 RF 路径上的过孔尺寸减到最小，这不仅可以减少路径电感，而且还可以减少主地上的虚焊点，并可减少 RF 能量泄漏到层叠板内其他区域的机会。

常用射频板材型号

合理的的Ro4350射频层叠和阻抗线宽设计

（3）射频器件及其 RF 布线布局原则。在物理空间上，像多级放大器这样的线性电路通常足以将个 RF 区之间相互隔离开来，但是双工器、混频器和中频放大器/ 混频器总是有多个 RF/IF 信号相互干扰，因此必须小心地将这一影响减到最小。RF与 IF 迹线应尽可能十字交叉，并尽可能在它们之间隔一块地。正确的 RF 路径对整块 PCB 的性能非常重要，这就是元器件布局通常在蜂窝电话 PCB 设计中占大部分时间的原因。

二选一电路设计需要注意开路微带

2.2.2 电气分区原则
（1）功率传输原则。蜂窝电话中大多数电路的直流电流都相当小，因此，布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定一条尽可能宽的大电流线，以将传输压降减到最低。为了避免太多电流损耗，需要采用多个通孔来将电流从某一层传递到另一层。
（2）高功率器件的电源去耦。如果不能在高功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去耦，那么高功率噪声将会辐射到整块板上，并带来多种的问题。高功率放大器的接地相当关键，经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。
（3）RF 输入/ 输出隔离原则。在大多数情况下，同样关键的是确保 RF 输出远离 RF 输入。这也适用于放大器、缓冲器和滤波器。在最坏情况下，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。在最好情况下，它们将能在任何温度和电压条件下稳定地工作。实际上，它们可能会变得不稳定，并将噪音和互调信号添加到RF 信号上。

输入输出需要拉开距离

3 结束语
总而言之，射频电路因其为分布参数电路，存在趋肤效应和耦合效应，不同于低频电路和直流电路。因而在进行射频电路PCB 设计时，需要特别注意这些问题，从而保证电路设计的有效和准确。E- Link 网络数据传输器还可用于构建新一代的以太网测控系统，用以改造现有的由现场总线组成的分布式控制系统和开发生产网络测控设备。它将推动家用电器智能化和网络化，并使人们的生活方式发生深刻的变化。