射频电路板设计技巧

1、射频电路板设计技巧成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的进展进行全面持续的评估。而这种细致的设计技巧正是国内大多数电子企业文化所欠缺的。 近几年来，由由于蓝芽芽设备、无无线局域域网络(WLAAN)设设备，和和行动电电话的需需求与成成长，促促使业者者越来越越关注RRF电路路设计的的技巧。从从过去到到现在，RF电路板设计如同电磁干扰(EMI)问题一样，一直是工程师们最难掌控的部份，甚至是梦魇。若想要一次就设计成功，必须事先仔细规划和注重细节才能奏效。 射频(RFF)电路路板设计计由于在在理论上上还有很很多

2、不确确定性，因因此常被被形容为为一种黑色艺艺术(blaack artt) 。但但这只是是一种以以偏盖全全的观点点，RFF电路板板设计还还是有许许多可以以遵循的的法则。不不过，在在实际设设计时，真真正实用用的技巧巧是当这这些法则则因各种种限制而而无法实实施时，如如何对它它们进行行折衷处处理。重重要的RRF设计计课题包包括：阻阻抗和阻阻抗匹配配、绝缘缘层材料料和层叠叠板、波波长和谐谐波.等，本本文将集集中探讨讨与RFF电路板板分区设设计有关关的各种种问题。 微过孔的种种类 电路板上不不同性质质的电路路必须分分隔，但但是又要要在不产产生电磁磁干扰的的最佳情情况下连连接，这这就需要要用到微微过孔(mi

3、ccrovvia)。通常常微过孔孔直径为为0.005mmm至0.220mmm，这些些过孔一一般分为为三类，即即盲孔(bliind viaa)、埋埋孔(bburyy viia)和和通孔(thrrouggh vvia)。盲孔孔位于印印刷线路路板的顶顶层和底底层表面面，具有有一定深深度，用用于表层层线路和和下面的的内层线线路的连连接，孔孔的深度度通常不不超过一一定的比比率(孔径)。埋孔孔是指位位于印刷刷线路板板内层的的连接孔孔，它不不会延伸伸到线路路板的表表面。上上述两类类孔都位位于线路路板的内内层，层层压前利利用通孔孔成型制制程完成成，在过过孔形成成过程中中可能还还会重叠叠做好几几个内层层。第三三

4、种称为为通孔，这这种孔穿穿过整个个线路板板，可用用于实现现内部互互连或作作为组件件的黏着着定位孔孔。采用分区技技巧在设计RFF电路板板时，应应尽可能能把高功功率RFF放大器器(HPPA)和和低噪音音放大器器(LNNA)隔隔离开来来。简单单的说RRF接，就是是让高功功率RFF发射电电路远离离低功率率收电路路。如果果PCBB板上有有很多空空间，那那么可以以很容易易地做到到这一点点。但通通常零组组件很多多时，PPCB空空间就会会变的很很小，因因此这是是很难达达到的。可可以把它它们放在在PCBB板的两两面，或或者让它它们交替替工作，而而不是同同时工作作。高功功率电路路有时还还可包括括RF缓冲冲器(bb

5、ufffer)和压控控振荡器器(VCCO)。设计分区可可以分成成实体分分区(pphyssicaal pparttitiioniing)和电气气分区(Eleectrricaal pparttitiioniing)。实体体分区主主要涉及及零组件件布局、方方位和屏屏蔽等问问题；电电气分区区可以继继续分成成电源分分配、RRF走线线、敏感感电路和和信号、接接地等分分区。 实体分区零组件布局局是实现现一个优优异RFF设计的的关键，最最有效的的技术是是首先固固定位于于RF路径径上的零零组件，并并调整其其方位，使使RF路径径的长度度减到最最小。并并使RFF输入远远离RFF输出，并并尽可能能远离高高功率电电路和

6、低低功率电电路。 最有效的电电路板堆堆栈方法法是将主主接地安安排在表表层下的的第二层层，并尽尽可能将将RF线走走在表层层上。将将RF路径径上的过过孔尺寸寸减到最最小不仅仅可以减减少路径径电感，而而且还可可以减少少主接地地上的虚虚焊点，并并可减少少RF能量量泄漏到到层叠板板内其它它区域的的机会。 在实体空间间上，像像多级放放大器这这样的线线性电路路通常足足以将多多个RFF区之间间相互隔隔离开来来，但是是双工器器、混频频器和中中频放大大器总是是有多个个RF/IF信信号相互互干扰，因因此必须须小心地地将这一一影响减减到最小小。RFF与IF走线线应尽可可能走十十字交叉叉，并尽尽可能在在它们之之间隔一一

7、块接地地面积。正正确的RRF路径径对整块块PCBB板的性性能而言言非常重重要，这这也就是是为什么么零组件件布局通通常在行行动电话话PCBB板设计计中占大大部份时时间的原原因。 在行动电话话PCBB板上，通通常可以以将低噪噪音放大大器电路路放在PPCB板板的某一一面，而而高功率率放大器器放在另另一面，并并最终藉藉由双工工器在同同一面上上将它们们连接到到RF天线线的一端端和基频频处理器器的另一一端。这这需要一一些技巧巧来确保保RF能量量不会藉藉由过孔孔，从板板的一面面传递到到另一面面，常用用的技术术是在两两面都使使用盲孔孔。可以以藉由将将盲孔安安排在PPCB板板两面都都不受RRF干扰扰的区域域，来

8、将将过孔的的不利影影响减到到最小。金属屏蔽罩罩 有时，不太太可能在在多个电电路区块块之间保保留足够够的区隔隔，在这这种情况况下就必必须考虑虑采用金金属屏蔽蔽罩将射射频能量量屏蔽在在RF区域域内，但但金属屏屏蔽罩也也有副作作用，例例如：制制造成本本和装配配成本都都很高。 外形不规则则的金属属屏蔽罩罩在制造造时很难难保证高高精密度度，长方方形或正正方形金金属屏蔽蔽罩又使使零组件件布局受受到一些些限制；金属屏屏蔽罩不不利于零零组件更更换和故故障移位位；由于于金属屏屏蔽罩必必须焊在在接地面面上，而而且必须须与零组组件保持持一个适适当的距距离，因因此需要要占用宝宝贵的PPCB板板空间。 尽可能保证证金属

9、屏屏蔽罩的的完整非非常重要要，所以以进入金金属屏蔽蔽罩的数数字信号号线应该该尽可能能走内层层，而且且最好将将信号线线路层的的下一层层设为接接地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口处的布线层走线出去，不过缺口处周围要尽可能被广大的接地面积包围，不同信号层上的接地可藉由多个过孔连在一起。 尽管有以上上的缺点点，但是是金属屏屏蔽罩仍仍然非常常有效，而而且常常常是隔离离关键电电路的唯唯一解决决方案。 电源去耦电电路此外，恰当当而有效效的芯片片电源去去耦(ddecoouplle)电电路也非非常重要要。许多多整合了了线性线线路的RRF芯片片对电源源的噪音音非常敏敏感，通通常每个个芯片都都需

10、要采采用高达达四个电电容和一一个隔离离电感来来滤除全全部的电电源噪音音。(图一)图一芯芯片电源源去耦电电路最小电容值值通常取取决于电电容本身身的谐振振频率和和接脚电电感，CC4的值值就是据据此选择择的。CC3和C2的值值由于其其自身接接脚电感感的关系系而相对对比较大大，从而而RF去耦耦效果要要差一些些，不过过它们较较适合于于滤除较较低频率率的噪音音信号。RF去耦则是由电感L1完成的，它使RF信号无法从电源线耦合到芯片中。因为所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发射RF信号的天线，所以，将射频信号与关键线路、零组件隔离是必须的。 这些去耦组组件的实实体位置置通常也也很关键键。这几几个重要要组件的

11、的布局原原则是：C4要尽尽可能靠靠近ICC接脚并并接地，C3必须最靠近C4，C2必须最靠近C3，而且IC接脚与C4的连接走线要尽可能短，这几个组件的接地端(尤其是C4)通常应当藉由板面下第一个接地层与芯片的接地脚相连。将组件与接地层相连的过孔应该尽可能靠近PCB板上的组件焊盘，最好是使用打在焊盘上的盲孔将连接线电感减到最小，电感L1应该靠近C1。 一个集成电电路或放放大器常常常具有有一个开开集极(opeen ccolllecttor)输出，因因此需要要一个上上拉电感感(puulluup iinduuctoor)来来提供一一个高阻阻抗RFF负载和和一个低低阻抗直直流电源源，同样样的原则则也适用用

12、于对这这一电感感的电源源端进行行去耦。有有些芯片片需要多多个电源源才能工工作，因因此可能能需要两两到三套套电容和和电感来来分别对对它们进进行去耦耦处理，如如果该芯芯片周围围没有足足够的空空间，那那么去耦耦效果可可能不佳佳。 尤其需要特特别注意意的是:电感极极少平行行靠在一一起，因因为这将将形成一一个空芯芯变压器器，并相相互感应应产生干干扰信号号，因此此它们之之间的距距离至少少要相当当于其中中之一的的高度，或或者成直直角排列列以使其其互感减减到最小小。 电气分区电气分区原原则上与与实体分分区相同同，但还还包含一一些其它它因素。现现代行动动电话的的某些部部份采用用不同工工作电压压，并借借助软件件对

13、其进进行控制制，以延延长电池池工作寿寿命。这这意味着着行动电电话需要要运行多多种电源源，而这这产生更更多的隔隔离问题题。电源源通常由由连接线线(coonneectoor)引引入，并并立即进进行去耦耦处理以以滤除任任何来自自电路板板外部的的噪音，然然后经过过一组开开关或稳稳压器，之之后，进进行电源源分配。 在行动电话话里，大大多数电电路的直直流电流流都相当当小，因因此走线线宽度通通常不是是问题，不不过，必必须为高高功率放放大器的的电源单单独设计计出一条条尽可能能宽的大大电流线线路，以以使发射射时的压压降(vvolttagee drrop)能减到到最低。为为了避免免太多电电流损耗耗，需要要利用多多

14、个过孔孔将电流流从某一一层传递递到另一一层。此此外，如如果不能能在高功功率放大大器的电电源接脚脚端对它它进行充充分的去去耦，那那么高功功率噪音音将会辐辐射到整整块电路路板上，并并带来各各种各样样的问题题。高功功率放大大器的接接地相当当重要，并并经常需需要为其其设计一一个金属属屏蔽罩罩。 RF输出必必须远离离RF输入入在大多数情情况下，必必须做到到RF输出出远离RRF输入入。这原原则也适适用于放放大器、缓缓冲器和和滤波器器。在最最坏的情情况下，如如果放大大器和缓缓冲器的的输出以以适当的的相位和和振幅反反馈到它它们的输输入端，那那么它们们就有可可能产生生自激振振荡。它它们可能能会变得得不稳定定，并

15、将将噪音和和互调相相乘信号号(innterrmoddulaatioon pprodductts)添添加到RRF信号号上。 如果射频信信号线从从滤波器器的输入入端绕回回输出端端，这可可能会严严重损害害滤波器器的带通通特性。为为了使输输入和输输出得到到良好的的隔离，首首先在滤滤波器周周围必须须是一块块主接地地面积，其其次滤波波器下层层区域也也必须是是一块接接地面积积，并且且此接地地面积必必须与围围绕滤波波器的主主接地连连接起来来。把需需要穿过过滤波器器的信号号线尽可可能远离离滤波器器接脚也也是个好好方法。此此外，整整块电路路板上各各个地方方的接地地都要十十分小心心，否则则可能会会在不知知不觉中中引

16、入一一条不希希望发生生的耦合合信道。(图二)详细说明了这一接地办法。 有时可以选选择走单单端(ssinggle-endded)或平衡衡的RFF信号线线(baalanncedd RFF trracees)，有有关串音音(crrossstallk)和和EMCC/EMMI的原原则在这这里同样样适用。平平衡RFF信号线线如果走走线正确确的话，可可以减少少噪音和和串音，但但是它们们的阻抗抗通常比比较高。而而且为了了得到一一个阻抗抗匹配的的信号源源、走线线和负载载，需要要保持一一个合理理的线宽宽，这在在实际布布线时可可能会有有困难。 图二滤滤波器四四周被接接地面（绿绿色区域域）包围围缓冲器缓冲器可以以用来

17、提提高隔离离效果，因因为它可可把同一一个信号号分为两两个部份份，并用用于驱动动不同的的电路。尤尤其是本本地振荡荡器可能能需要缓缓冲器来来驱动多多个混频频器。当当混频器器在RFF频率处处到达共共模隔离离(coommoon mmodee issolaatioon)状状态时，它它将无法法正常工工作。缓缓冲器可可以很好好地隔离离不同频频率处的的阻抗变变化，从从而电路路之间不不会相互互干扰。 缓冲器对设设计的帮帮助很大大，它们们可以紧紧跟在需需要被驱驱动电路路的后面面，从而而使高功功率输出出走线非非常短，由由于缓冲冲器的输输入信号号电平比比较低，因因此它们们不易对对板上的的其它电电路造成成干扰。压控振荡

18、器器压控振荡器器(VCCO)可可将变化化的电压压转换为为变化的的频率，这这一特性性被用于于高速频频道切换换，但它它们同样样也将控控制电压压上的微微量噪音音转换为为微小的的频率变变化，而而这就给给RF信号号增加了了噪音。总总之，在在压控振振荡器处处理过以以后，再再也没有有办法从从RF输出出信号中中将噪音音去掉。困困难在于于VCOO控制线线(coontrrol linne)的的期望频频宽范围围可能从从DC到2MHHz，而而藉由滤滤波器来来去掉这这么宽的的频带噪噪音几乎乎是不可可能的；其次，VCO控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部份，它在很多地方都有可能引入噪音，因此必须非常小心处理VCO控制

19、线。 谐振电路谐振电路(tannk ccirccuitt)用于于发射机机和接收收机，它它与VCCO有关关，但也也有它自自己的特特点。简简单地说说，谐振振电路是是由一连连串具有有电感电电容的二二极管并并连而成成的谐振振电路，它它有助于于设定VVCO工工作频率率和将语语音或数数据调变变到RFF载波上上。 所有VCOO的设计计原则同同样适用用于谐振振电路。由由于谐振振电路含含有数量量相当多多的零组组件、占占据面积积大、通通常运行行在一个个很高的的RF频率率下，因因此谐振振电路通通常对噪噪音非常常敏感。信信号通常常排列在在芯片的的相邻接接脚上，但但这些信信号接脚脚又需要要与较大大的电感感和电容容配合才

20、才能工作作，这反反而需要要将这些些电感和和电容的的位置尽尽量靠近近信号接接脚，并并连回到到一个对对噪音很很敏感的的控制环环路上，但但是又要要尽量避避免噪音音的干扰扰。要做做到这点点是不容容易的。 自动增益控控制放大大器自动增益控控制(AAGC)放大器器同样是是一个容容易出问问题的地地方，不不管是发发射还是是接收电电路都会会有AGGC放大大器。AAGC放放大器通通常能有有效地滤滤掉噪音音，不过过由于行行动电话话具备处处理发射射和接收收信号强强度快速速变化的的能力，因因此要求求AGCC电路有有一个相相当大的的频宽，这这就使AAGC放放大器很很容易引引入噪音音。 设计AGCC线路必必须遵守守模拟电电

21、路的设设计原则则，亦即即使用很很短的输输入接脚脚和很短短的反馈馈路径，而而且这两两处都必必须远离离RF、IF或高高速数字字信号线线路。同同样，良良好的接接地也必必不可少少，而且且芯片的的电源必必须得到到良好的的去耦。如如果必须须在输入入或输出出端设计计一条长长的走线线，那么么最好是是选择在在输出端端实现它它，因为为，通常常输出端端的阻抗抗要比输输入端低低得多，而而且也不不容易引引入噪音音。通常常信号电电平越高高，就越越容易将将噪音引引入到其其它电路路中。 接地要确保RFF走线下下层的接接地是实实心的，而而且所有有的零组组件都要要牢固地地连接到到主接地地上，并并与其它它可能带带来噪音音的走线线隔离开开来。此此外，要要确保VVCO的的电源已已得到充充分去耦耦，由于于VCOO的RF输出出往往是是一个相相当高的的电平，VCO输出信号很容易干扰其它电路，因