無線射頻電路的PCB設(shè)計(jì)

無線射頻電路的PCB設(shè)計(jì)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，手持無線射頻電路技術(shù)運(yùn)用越來越廣，如：無線尋呼機(jī)、手機(jī)、無線PDA等，其中的射頻電路的性能指標(biāo)直接影響整個產(chǎn)品的質(zhì)量。這些掌上產(chǎn)品的一個最大特點(diǎn)就是小型化，而小型化意味著元器件的密度很大，這使得元器件（包括SMD、SMC、裸片等）的相互干擾十分突出。電磁干擾信號如果處理不當(dāng)，可能造成整個電路系統(tǒng)的無法正常工作，因此，如何防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，就成為設(shè)計(jì)射頻電路PCB 時的一個非常重要的課題。同一電路，不同的PCB設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其性能指標(biāo)會相差很大。本討論采用Protel99 SE軟件進(jìn)行掌上產(chǎn)品的射頻電路PCB設(shè)計(jì)時，如果最大限度地實(shí)現(xiàn)電路的性能指標(biāo)，以達(dá)到電磁兼容要求。

1 板材的選擇

印刷電路板的基材包括有機(jī)類與無機(jī)類兩大類?；闹凶钪匾男阅苁墙殡姵?shù)εr、耗散因子（或稱介質(zhì)損耗）tanδ、熱膨脹系數(shù)CET和吸濕率。其中εr影響電路阻抗及信號傳輸速率。對于高頻電路，介電常數(shù)公差是首要考慮的更關(guān)鍵因素，應(yīng)選擇介電常數(shù)公差小的基材。

2 PCB設(shè)計(jì)流程

由于Protel99 SE軟件的使用與Protel 98等軟件不同，因此，首先簡要討論采用Protel99 SE軟件進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的流程。

①由于Protel99 SE采用的是工程（PROJECT）數(shù)據(jù)庫模式管理，在Windows 99下是隱含的，所以應(yīng)先鍵立1個數(shù)據(jù)庫文件用于管理所設(shè)計(jì)的電路原理圖與PCB版圖。

②原理圖的設(shè)計(jì)。為了可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，在進(jìn)行原理設(shè)計(jì)之間，所用到的元器件都必須在元器件庫中存在，否則，應(yīng)在SCHLIB中做出所需的元器件并存入庫文件中。然后，只需從元器件庫中調(diào)用所需的元器件，并根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行連接即可。

③原理圖設(shè)計(jì)完成后，可形成一個網(wǎng)絡(luò)表以備進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時使用。

④PCB的設(shè)計(jì)
a.PCB 外形及尺寸的確定。根據(jù)所設(shè)計(jì)的PCB在產(chǎn)品的位置、空間的大小、形狀以及與其它部件的配合來確定PCB的外形與尺寸。在MECHANICAL LAYER層用PLACE TRACK命令畫出PCB的外形。b.根據(jù)SMT的要求，在PCB上制作定位孔、視眼、參考點(diǎn)等。c.元器件的制作。假如需要使用一些元器件庫中不存在的特殊元器件，則在布局之前需先進(jìn)行元器件的制作。在Protel99 SE中制作元器件的過程比較簡單，選擇“DESIGN”菜單中的“MAKE LIBRARY”命令后就進(jìn)入了元器件制作窗口，再選擇“TOOL”菜單中的“NEW COMPONENT”命令就可以進(jìn)行元器件的設(shè)計(jì)。這時只需根據(jù)實(shí)際元器件的形狀、大小等在TOP LAYER層以PLACE PAD等命令在一定的位置畫出相應(yīng)的焊盤并編輯成所需的焊盤（包括焊盤形狀、大小、內(nèi)徑尺寸及角度等，另外還應(yīng)標(biāo)出焊盤相應(yīng)的引腳名），然后以PLACE TRACK命令在TOP OVERLAYER層中畫出元器件的最大外形，取一個元器件名存入元器件庫中即可。d.元器件制作完成后，進(jìn)行布局及布線，這兩部分在下面具體進(jìn)行討論。 e.以上過程完成后必須進(jìn)行檢查。這一方面包括電路原理的檢查，另一方面還必須檢查相互間的匹配及裝配問題。電路原理的檢查可以人工檢查，也可以采用網(wǎng)絡(luò)自動檢查（原理圖形成的網(wǎng)絡(luò)與PCB形成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較即可）。f.檢查無誤后，對文件進(jìn)行存檔、輸出。在Protel99 SE中必須使用“FILE”選項(xiàng)中的“EXPORT”命令，把文件存放到指定的路徑與文件中（“IMPORT”命令則是把某一文件調(diào)入到Protel99 SE中）。注：在Protel99 SE中“FILE”選項(xiàng)中的“SAVE COPY AS…”命令執(zhí)行后，所選取的文件名在Windows 98中是不可見的，所以在資源管理器中是看不到該文件的。這與Protel 98中的“SAVE AS…”功能不完全一樣。

3 元器件的布局

由于SMT一般采用紅外爐熱流焊來實(shí)現(xiàn)元器件的焊接，因而元器件的布局影響到焊點(diǎn)的質(zhì)量，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的成品率。而對于射頻電路PCB設(shè)計(jì)而言，電磁兼容性要求每個電路模塊盡量不產(chǎn)生電磁輻射，并且具有一定的抗電磁干擾能力，因此，元器件的布局還直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力，這也直接關(guān)系到所設(shè)計(jì)電路的性能。因此，在進(jìn)行射頻電路PCB設(shè)計(jì)時除了要考慮普通PCB設(shè)計(jì)時的布局外，主要還須考慮如何減小射頻電路中各部分之間相互干擾、如何減小電路本身對其它電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于射頻電路效果的好壞不僅取決于射頻電路板本身的性能指標(biāo)，很大部分還取決于與CPU處理板間的相互影響，因此，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時，合理布局顯得尤為重要。

布局總原則：元器件應(yīng)盡可能同一方向排列，通過選擇PCB進(jìn)入熔錫系統(tǒng)的方向來減少甚至避免焊接不良的現(xiàn)象；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿足元器件的熔錫要求，若PCB板的空間允許，元器件的間距應(yīng)盡可能寬。對于雙面板一般應(yīng)設(shè)計(jì)一面為SMD及SMC元件，另一面則為分立元件。

布局中應(yīng)注意：

*首先確定與其它PCB板或系統(tǒng)的接口元器件在PCB板上的位置，必須注意接口元器件間的配合問題（如元器件的方向等）。

*因?yàn)檎粕嫌闷返捏w積都很小，元器件間排列很緊湊，因此對于體積較大的元器件，必須優(yōu)先考慮，確定出相應(yīng)位置，并考慮相互間的配合問題。

* 認(rèn)真分析電路結(jié)構(gòu)，對電路進(jìn)行分塊處理（如高頻放大電路、混頻電路及解調(diào)電路等），盡可能將強(qiáng)電信號和弱電信號分開，將數(shù)字信號電路和模擬信號電路分開，完成同一功能的電路應(yīng)盡量安排在一定的范圍之內(nèi)，從而減小信號環(huán)路面積；各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)必須就近連接，這樣不僅可以減小輻射，而且可以減少被干擾的幾率，根據(jù)電路的抗干擾能力。

*根據(jù)單元電路在使用中對電磁兼容性敏感程度不同進(jìn)行分組。對于電路中易受干擾部分的元器件在布局時還應(yīng)盡量避開干擾源（比如來自數(shù)據(jù)處理板上CPU的干擾等）。

4 布線

在基本完成元器件的布局后，就可開始布線了。布線的基本原則為：在組裝密度許可情況下后，盡量選用低密度布線設(shè)計(jì)，并且信號走線盡量粗細(xì)一致，有利于阻抗匹配。

對于射頻電路，信號線的走向、寬度、線間距的不合理設(shè)計(jì)，可能造成信號信號傳輸線之間的交叉干擾；另外，系統(tǒng)電源自身還存在噪聲干擾，所以在設(shè)計(jì)射頻電路PCB時一定要綜合考慮，合理布線。

布線時，所有走線應(yīng)遠(yuǎn)離PCB板的邊框（2mm左右），以免PCB板制作時造成斷線或有斷線的隱患。電源線要盡中能寬，以減少環(huán)路電阻，同時，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，以提高抗干擾能力；所布信號線應(yīng)盡可能短，并盡量減少過孔數(shù)目；各元器件間的連線越短越好，以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；對于不相容的信號線應(yīng)量相互遠(yuǎn)離，而且盡量避免平行走線，而在正向兩面的信號線應(yīng)用互垂直；布線時在需要拐角的地址方應(yīng)以135°角為宜，避免拐直角。

布線時與焊盤直接相連的線條不宜太寬，走線應(yīng)盡量離開不相連的元器件，以免短路；過孔不腚畫在元器件上，且應(yīng)盡量遠(yuǎn)離不相連的元器件，以免在生產(chǎn)中出現(xiàn)虛焊、連焊、短路等現(xiàn)象。

在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中，電源線和地線的正確布線顯得尤其重要，合理的設(shè)計(jì)是克服電磁干擾的最重要的手段。PCB上相當(dāng)多的干擾源是通過電源和地線產(chǎn)生的，其中地線引起的噪聲干擾最大。

地線容易形成電磁干擾的主要原因于地線存在阻抗。當(dāng)有電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地線的環(huán)路干擾。當(dāng)多個電路共用一段地線時，就會形成公共阻抗耦合，從而產(chǎn)生所謂的地線噪聲。因此，在對射頻電路PCB的地線進(jìn)行布線時應(yīng)該做到：

* 首先，對電路進(jìn)行分塊處理，射頻電路基本上可分成高頻放大、混頻、解調(diào)、本振等部分，要為各個電路模塊提供一個公共電位參考點(diǎn)即各模塊電路各自的地線，這樣信號就可以在不同的電路模塊之間傳輸。然后，匯總于射頻電路PCB接入地線的地方，即匯總于總地線。由于只存在一個參考點(diǎn)，因此沒有公共阻抗耦合存在，從而也就沒有相互干擾問題。

*數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)盡可能地線進(jìn)行隔離，并且數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地。

*在各部分電路內(nèi)部的地線也要注意單點(diǎn)接地原則，盡量減小信號環(huán)路面積，并與相應(yīng)的濾波電路的地址就近相接。

*在空間允許的情況下，各模塊之間最好能以地線進(jìn)行隔離，防止相互之間的信號耦合效應(yīng)。

5 結(jié)論

射頻電路PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何減少輻射能力以及如何提高抗干擾能力，合理的布局與布線是設(shè)計(jì)射頻電路PCB的保證。文中所述方法有利于提高射頻電路PCB設(shè)計(jì)的可靠性，解決好電磁干擾問題，進(jìn)而達(dá)到電磁兼容的目的。