射頻（RF）PCB設(shè)計有哪些難點？

射頻（RF）PCB 設(shè)計，在目前公開出版的理論上具有很多不確定性，常被形容為一種“黑色藝術(shù)”。通常情況下，對于微波以下頻段的電路（ 包括低頻和低頻數(shù)字電路）， 在全面掌握各類設(shè)計原則前提下的仔細(xì)規(guī)劃是一次性成功設(shè)計的保證。 ? 對于微波以上頻段和高頻的PC 類數(shù)字電路，則需要2~3 個版本的 PCB 方能保證電路品質(zhì)。而對于微波以上頻段的RF 電路， 則往往需要更多版本的 PCB 設(shè)計并不斷完善， 而且是在具備相當(dāng)經(jīng)驗的前提下。由此可知 RF 電設(shè)計上的困難。 ?

典型的射頻板 ?

無線上網(wǎng)模塊 ?

布局前需要熟知產(chǎn)品架構(gòu)和信號流向 ?

1 RF 電路設(shè)計的常見問題

1.1 數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾

如果模擬電路（射頻）和數(shù)字電路單獨工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個電源一起工作，整個系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因為數(shù)字信號頻繁地在地和正電源（>3 V）之間擺動，而且周期特別短，常常是納秒級的。 ? 由于較大的振幅和較短的切換時間， 使得這些數(shù)字信號包含大量且獨立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無線調(diào)諧回路傳到無線設(shè)備接收部分的信號一般小于1μV。因此數(shù)字信號與射頻信號之間的差別會達(dá)到 120 dB。 ? 顯然，如果不能使數(shù)字信號與射頻信號很好地分離， 微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來，無線設(shè)備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。 ?

常見的干擾現(xiàn)象 ?

數(shù)模射頻混合電路分區(qū)設(shè)計 ? 1.2 供電電源的噪聲干擾
射頻電路對于電源噪聲相當(dāng)敏感， 尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個內(nèi)部時鐘周期內(nèi)短時間突然吸入大部分電流， 這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS 工藝制造。 ? 因此， 假設(shè)一個微控制器以 1 MHz 的內(nèi)部時鐘頻率運行，它將以此頻率從電源提取電流。如果不采取合適的電源去耦， 必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達(dá)電路 RF 部分的電源引腳，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致工作失效。 ?

射頻芯片電源布局及電容排布要注意規(guī)則 ?

高速時鐘重要信號走線走內(nèi)層完整的參考平面及包裹保護(hù) ? 1.3 不合理的地線
如果 RF 電路的地線處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對于數(shù)字電路設(shè)計，即使沒有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在 RF 頻段，即使一根很短的地線也會如電感器一樣作用。粗略地計算， 每毫米長度的電感量約為 1 nH， 433 MHz時10 mm PCB 線路的感抗約 27Ω。如果不采用地線層， 大多數(shù)地線將會較長， 電路將無法具有設(shè)計的特性。 ?

不合理接接地 ? 1.4 天線對其他模擬電路部分的輻射干擾
在 PCB 電路設(shè)計中， 板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）或數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器（DAC）。射頻發(fā)送器的天線發(fā)出的高頻信號可能會到達(dá) ADC 的模擬輸入端。因為任何電路線路都可能如天線一樣發(fā)出或接收 RF 信號。如果 ADC輸入端的處理不合理， RF 信號可能在 ADC 輸入的ESD 二極管內(nèi)自激，從而引起 ADC 偏差。 ?

天線的禁布區(qū)和天線對內(nèi)部電路相互干擾 ? 2 RF 電路設(shè)計原則及方案
2.1 RF 布局概念
在設(shè)計 RF 布局時，必須優(yōu)先滿足以下幾個總原則
（1）盡可能地把高功率 RF 放大器（HPA）和低噪音放大器（LNA）隔離開來， 簡單地說， 就是讓高功率RF 發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率 RF 接收電路。 ?

功率放大電路PA偏置四分之一波長設(shè)計 ?

一字排布原則 ?

放大器偏置電感垂直排布 ?

錯誤的放大器偏置布局 ? （2）確保 PCB 板上高功率區(qū)至少有一整塊地，最好上面沒有過孔，當(dāng)然，銅箔面積越大越好。 ?

足夠的GND過孔改善信號接地和散熱 ?

射頻濾波器等接地要充分 ? （3）電路和電源去耦同樣也極為重要。
（4）RF 輸出通常需要遠(yuǎn)離 RF 輸入。
（5）敏感的模擬信號應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號和 RF 信號。 ?

AD9361收發(fā)電路做好隔離及巴倫差分阻抗匹配 ? 2.2 物理分區(qū)和電氣分區(qū)設(shè)計原則
設(shè)計分區(qū)可以分解為物理分區(qū)和電氣分區(qū)。物理分區(qū)主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等; 電氣分區(qū)可以繼續(xù)分解為電源分配、RF 走線、敏感電路和信號以及接地等的分區(qū)。 ?

射頻走線及整版打孔 ? 2.2.1 物理分區(qū)原則
（1）元器件位置布局原則。元器件布局是實現(xiàn)一個優(yōu)秀 RF設(shè)計的關(guān)鍵， 最有效的技術(shù)是首先固定位于 RF 路徑上的元器件并調(diào)整其方向， 以便將RF 路徑的長度減到最小， 使輸入遠(yuǎn)離輸出， 并盡可能遠(yuǎn)地分離高功率電路和低功率電路。 ?

RX/TX挖地或者屏蔽隔離 ? （2）PCB 堆疊設(shè)計原則。最有效的電路板堆疊方法是將主接地面（主地）安排在表層下的第二層，并盡可能將 RF 線布置在表層上。將 RF 路徑上的過孔尺寸減到最小， 這不僅可以減少路徑電感， 而且還可以減少主地上的虛焊點， 并可減少 RF 能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機會。 ?

常用射頻板材型號 ?

合理的的Ro4350射頻層疊和阻抗線寬設(shè)計 ? （3）射頻器件及其 RF 布線布局原則。在物理空間上， 像多級放大器這樣的線性電路通常足以將個 RF 區(qū)之間相互隔離開來， 但是雙工器、混頻器和中頻放大器/ 混頻器總是有多個 RF/IF 信號相互干擾， 因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與 IF 跡線應(yīng)盡可能十字交叉， 并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的 RF 路徑對整塊 PCB 的性能非常重要，這就是元器件布局通常在蜂窩電話 PCB 設(shè)計中占大部分時間的原因。 ?

二選一電路設(shè)計需要注意開路微帶 ? 2.2.2 電氣分區(qū)原則
（1）功率傳輸原則。蜂窩電話中大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)小， 因此， 布線寬度通常不是問題。不過， 必須為高功率放大器的電源單獨設(shè)定一條盡可能寬的大電流線， 以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗， 需要采用多個通孔來將電流從某一層傳遞到另一層。
（2）高功率器件的電源去耦。如果不能在高功率放大器的電源引腳端對它進(jìn)行充分的去耦， 那么高功率噪聲將會輻射到整塊板上， 并帶來多種的問題。高功率放大器的接地相當(dāng)關(guān)鍵， 經(jīng)常需要為其設(shè)計一個金屬屏蔽罩。
（3）RF 輸入/ 輸出隔離原則。在大多數(shù)情況下，同樣關(guān)鍵的是確保 RF 輸出遠(yuǎn)離 RF 輸入。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞情況下，如果放大器和緩沖器的輸出以適當(dāng)?shù)南辔缓驼穹答伒剿鼈兊妮斎攵耍?那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。在最好情況下， 它們將能在任何溫度和電壓條件下穩(wěn)定地工作。實際上， 它們可能會變得不穩(wěn)定， 并將噪音和互調(diào)信號添加到RF 信號上。 ?

輸入輸出需要拉開距離 ? 3 結(jié)束語
總而言之，射頻電路因其為分布參數(shù)電路，存在趨膚效應(yīng)和耦合效應(yīng)，不同于低頻電路和直流電路。因而在進(jìn)行射頻電路PCB 設(shè)計時，需要特別注意這些問題，從而保證電路設(shè)計的有效和準(zhǔn)確。E- Link 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸器還可用于構(gòu)建新一代的以太網(wǎng)測控系統(tǒng)，用以改造現(xiàn)有的由現(xiàn)場總線組成的分布式控制系統(tǒng)和開發(fā)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)測控設(shè)備。它將推動家用電器智能化和網(wǎng)絡(luò)化，并使人們的生活方式發(fā)生深刻的變化。 ?

編輯：黃飛

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