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干货 | 射频电路PCB设计处理技巧

2019-12-05
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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。本文从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。


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。


1、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。


1.1 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


1.2 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


1.3 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


1.4 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


2、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:


2.1 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


2.2 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


2.3 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。


2.4 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。


2.5 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


2.6 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。


2.7 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。


3、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。


4、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。本文总结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


此处将从射频界面、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。
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。


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。


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。


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。 
来源:网络

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