RF射频PCB设计

1、二,射频( RF ) PCB LAYOUT设计部分 主讲:黄立山 SEE 现代通讯发展以及改善人类的生活便利性等需要,人们已经离不开无线通讯产品及相关设备.一轮蓝牙设备、无绳电话、蜂窝电话、无线遥控、无线报警、监控等需求高潮正促使电子工程师越来越关注RF电路设计方面知识和技巧。由于射频电路的工作频率很高(大体从VHF30MHZ 至S波段24GHZ ),很多低速的数字电路( 小于40MHZ工作频率)和低频摸拟电路无须考虑的问题而射频电路必须考虑其中,特别是工作频率大于300MHZ时,各种电路参数(如电感L、电容C 等)将不再是集中参数而成为分布参数.导线、PCB trace连同对应的 R,C和L

2、各个元件形成的等效电路,它的性能明显地与理想元件特性不同.正如我们所了解的,频率的提高意味着波长的减小.该结论用于射频电路,就是当波长可以与分立电路元件的几何尺寸相比拟时,电压和电流不再保持空间不变.必须把它们看做是传输的波.因为基尔霍夫电压和电流定律都没有考虑到这此空间变化.简单来讲电阻值相同的0805电阻与0402电阻在低频时都具有相同桓定的电阻,而到高频时不再恒定了,而且显示出具有谐振点的二阶系统响应.即电阻的阻抗绝对值对于不同的频率相应不一样.图1-1示.再举一个给大家容易理解的例子:长度为1.5cm的trace ( 铜皮导线)在不同的频率下工作其呈现很的差异了性.如图1-2 所示的电

3、路.该电路由内阻为Rg的正弦电压源Vg通1.5mm长的trace线与负载电阻RL连接组成.并假定导线方向与Z轴的方向一致,且它们的电阻可忽略.假如振荡器的频率是1MHZ,即其波长是94.86m.连接信号源和负载的1.5cm长的导线,在如此小的尺度内感受电压变化是不明显的.而当频率提高到10GHZ时情况就明显不同了,此时波长降低到0.949cm,近似为导线长度的2/3,如果沿1.5cm长的导线AB测量电压,确定信号相位参考点所在位置是重要的.A点和B点电压沿Z轴测量结果如图1-3. 这时导线要作为传输微带线处理.当频率高到必须考虑电压和电流的空间特性时,基尔霍夫电路定律不能真接应用了.应该应用传

4、输线理论( La= 波长/10).传输的特性阻抗由线路的尺寸( W和H)和介电常数来决定.而其特性阻抗会影响传输损耗、辐射损耗、邻带串扰和阻抗匹配等问题.(请参相关微带传输线理论)如图1-4所示. 上述长论其目的是为讲明射频(RF)电路板设计有其的特殊性,对PCB设计人员提出更高要求.本人负责过不少的RF产品,射频部分PCB设计大都亲力亲为很少假手于人.现总一此RF layout 经验供大家分享.射频( RF )PCB设计总则.1) 合理布局2) 严格隔离与良好分区3) 走线-短4) 选用合适介电常的PCB5) PCB天线设计下面作一一解释:一)、RF布局概念 RF设计布局原则,通俗来说就是井

5、水不犯河水.尽量把各部分的相互影响减至最小,减小前后级间的耦合,减小敏感部分相互串忧等.具体如下几点: 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。如PCB板上有很多空间，那么很容易地做到这一点，但通常元器件很多，PCB空间较小，因而这通常是不可能的。你可以把他们放在PCB板的两面.或者用屏蔽罩分区隔离.可以的话让它们工作在半双工模式 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，铜皮越多越好。 3. RF输入部分通常需要远离RF输出部分 4.敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号

6、和RF信号。 以图( 1-7 )三级150MHZ放大器为例.其合理布局应为图 ( 1-5 )而不合理的布局,极容易造成前后级间耦合,产生寄生振荡式自激等.图( 1-6 )所示上原理图,layout时在安置线圈时要将输入和输出线圈、级与级之间的线图互相垂直以减小因电磁耦合产生的寄生振荡的可能性.如图 ( 1-7 )L1、L4 ,L2、L5,L3、L4,L5、L6 要互成直角.二 )、如何进行分区射频设计分区可以分为物理分区和电性分区。物理分区主要牵涉到器件的布局、朝向和屏蔽等问题；电性分区可分为射频走线、电源去耦隔离、敏感电路和信号以及接地等的分区。 1)物理分区问题元器件布局是一个良好的射频P

7、CB设计的关键，首先固定位于RF路径上的元器件，并调整其朝向以将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。 板层的布局是将主接地面(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。四层板通常分层为:第一层RF元件布线层,第二层地层,第三层 VDD层,第四层GND层. 在物理空间上，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/混频器总是有多个RF/IF信号相互干扰，因此必须

8、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，并尽可能在它们之间隔一块地。 有条件的活可以将LNA放在PCB板的某一面，而HPA放在另一面，并最终通过双工器把它们在同一面上连接到RF天线上。但注意确保VIA不会把RF能量从板的一面传递到另一面，若成本不考虑可以在两面都使用盲孔。或者通过将VIA安排在PCB板两面都不受RF干扰的区域来将VIA的不利影响减到最小。 此外，恰当和有效的电源去耦也非常重要。许多射频线路的对电源的噪音非常敏感，通常每部分都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的电源噪音(见图1-8)。C7、C8、L1,C5、C6、L2,所组成的隔离网络完全是两个

9、不同的环路,虽然它们都与电源Vb相连.切记千万别把它们绞合在一起. 其实这些去耦元件的物理位置是十分关键的,这此重要元件的布局原则是：L1尽量靠近Q而C7、C8要尽可能靠近L1并以最短接地.另一网络同样如此.切忌将两个网络扎在一起. 另外有的RF集成电路或放大器常常带有一个开漏极输出，因此需要一个上拉电感来提供一个高阻抗RF负载和一个低阻抗直流电源，同样的原则也适用于对这一电感端的电源进行去耦。有些芯片需要多个电源才能工作，因此你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. 记住电感极少并行靠在一起，因为这将形成一个空芯变压器并相互感应产生干扰信号，因此它们之间的距离至少要相当于其中一

10、个器件的高度，或者成直角排列以将其互感减到最小。2)电气分区问题 电气分区大体上与物理分区相同，但还包含一些其它因素。许多通讯产品越来越复杂,不同部分采用不同工作电压,这意味需要运行多种电源，而这给隔离分区带来了更多的问题。不同电源通常进行去耦处理以滤除任何来自线路板外部的噪声,然后分配给不同的部分如 LNA、MIXER、HPA、IF等. 而一般的无线消费产品大多数电路的直流电流都相当小，因此trace宽度通常不是问题，不过，必须为高功率放大器的电源单独走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，需要采用多个过孔来将电流从某一层传递到另一层。如果不能在高功率放大器的电

11、源引脚端对它进行充分的去耦和正确分区,很大机会高功率噪声将会辐射到整块板上，并带来各种各样的问题。 同时确保RF输出远离RF输入。不但适用于LNA、HPA放大器且适用于缓冲器和滤波器。假如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。或者它们能在某一温度和良好的电压条件下工作。但当条件变恶劣时它们可能会变得不稳定，并将自激振荡噪音和互调信号添加到其它RF部分,影响整个糸统工作. 例如射频信号线从滤波器的输入端绕回输出端，这可能会严重损害滤波器的带通特性。为了使输入和输出得到良好的隔离，首先必须在滤波器周围布一圈地，其次滤波器下层区域也要布一块地，并与围

12、绕滤波器的主地连接起来。把穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器引脚.此外,整块板上各个地方的接地都要十分小心，否则你可能会出现你不希望的耦合通道。 若PCBLAYOUT不能起到有效隔离,那么设计增加缓冲器可以用来提高隔离效果，因为它可把同一个信号分为两个部分，并用于驱动不同的电路，特别是本振可能需要缓冲器来驱动多个混频器.缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化，从而电路之间不会相互干扰。 还有许多非常敏感的信号和控制线需要特别注意，但它们超出了探讨的范围.( 日后射频知识讲座会讨论). 实例:压控振荡器(VCO)可将变化的电压转换为变化的频率，这一特性被用于高速频道切换或和PLL组成锁相环路来

13、稳定工作频率.但它们同样也将控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化，而这就给RF信号增加了噪声。从而降低发射机和接收机的性能,严重无法工作.具体来说VCO控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部分，苦有噪声串入这部将会影响VCO工作稳定性.若PCB空间允许的话,干忧源要远离VCO及其回馈部分.如图( 1-9 )3 )走线问题 1. 射频电路走线要尽量短切忌为追求美观把线弯曲、绞合、甚至扎在一起,以减小分布电容和接线电感.以图 ( 1-10 )为例 走线时不应像电路图画的那样走线,而应像图中红色虚所示走线.2)每一级的排列应以大元件(RF IC 或射频三极管)为中心,小元件安置在其周围元件接地

14、点应集中或尽量将接地点靠近.3)当用多层板layout时,射频信号走线千万不要过层交替走线.据有关资料介绍一个过层VIA 会带来0.5pF分布电容.减少射频信号走线过孔数量或尽量不要过层交替走线.6) 射频信号走线,应注意信号线近距离平行走带来的串忧问题.若无法避免平行走线应用地来良好分隔.( 这一点与数字电数路layout 有别)7) 对特别重要的信号线和非常敏感部分要采用地包围的措施.8) 各类信号走线不要形成环路地线也不能形成电流环路.也即是讲射频layout不宜用单点地法.应用整片地.l ( 此点纯粹个人认识,但此点本人深刻体会且有原版英文技术资料支持)l四 )选用合适介电常的PCB

15、走线可以讲是载流导带,其下面的接地平面可以帮助阻挡额外的场泄漏,降低辐射损耗.走线在不同材质不同层数的PCB上有着不同的高频特性. 1) 单层PCB缺点之一是它有较高的辐射损耗和邻近导带之间容易出现串扰.如图 ( 1- 11)所示,电场泄漏依赖于介电常数.对图1-11的电力线进行直接比较可以看出,为达到元件高密度布局,建议采用高介电常数的材质,因为它可以将场的泄漏和交叉耦合降至最小. 2) 降低辐射损耗和干忧的另一种方法是采用多层板.据有关资料显示同一材料的PCB,四层板比二层噪声降低20dB. 3) 通常频率在27MHZ,49MHZ可用单层PP,100MHZ至2.4GHZ用双层式四层RF4,更高频率应用时,应用介电常数更高材质如 N9320-13RF 等.5)PCB天线设计