射頻和微波PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指南

幾十年前，對射頻和微波電路的需求并不大。它們很難設(shè)計(jì)到當(dāng)時(shí)的建筑中，而且成本如此之高，以至于只有軍用/航空項(xiàng)目才能負(fù)擔(dān)得起。但是今天，射頻電路被塞進(jìn)了種類繁多的商業(yè)產(chǎn)品中。其中大部分是用于醫(yī)療、工業(yè)和通信應(yīng)用的手持無線設(shè)備，此外，各種領(lǐng)域的應(yīng)用正在從臺(tái)式機(jī)模型轉(zhuǎn)變?yōu)楸銛y式通信單元。不僅 RF 變得越來越普遍，而且微波電路也變得越來越普遍，它們都可以捕獲甚高頻 （VHF） 和超高頻 （UHF）。

印刷電路板 （PCB） 現(xiàn)在包含的不僅僅是純數(shù)字或混合信號技術(shù)，PCB 布局設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)具有高頻射頻和微波的子組件時(shí)面臨更多挑戰(zhàn)。

RF 頻率范圍通常為 500 MHz 至 2 GHz，高于 100 MHz 的設(shè)計(jì)被視為 RF。微波頻率范圍高于 2 GHz。射頻和微波電路與典型的數(shù)字和模擬電路之間存在相當(dāng)大的差異。本質(zhì)上，射頻信號是非常高頻的模擬信號。因此，與數(shù)字不同，在任何時(shí)間點(diǎn)，射頻信號都可以處于和限制之間的任何電壓和電流水平。

假定標(biāo)準(zhǔn)模擬信號介于直流和幾百兆赫之間。但是 RF 和微波信號是一個(gè)頻率或非常高頻載波上的一個(gè)頻段（圖 1）。與與一種電壓或一種電流相關(guān)聯(lián)的數(shù)字信號不同，RF 和微波信號在一個(gè)頻率上運(yùn)行。

圖 1：射頻和微波信號是超高頻載波上的一個(gè)頻率或一個(gè)頻段。

射頻和微波電路設(shè)計(jì)用于傳遞特定頻帶內(nèi)的信號。他們使用帶通濾波器在所謂的感興趣頻帶中傳輸信號。一個(gè)頻率范圍內(nèi)的信號通過這個(gè)頻帶范圍，信號的其余頻率被濾除。單個(gè)頻帶可以非常窄或非常寬，并承載在非常高頻的載波上。

PCB 設(shè)計(jì)和射頻/微波問題

在大多數(shù)情況下，包含射頻和/或微波電路的 PCB 布局很難設(shè)計(jì)。然而，無論難度如何，經(jīng)驗(yàn)法則都是從基礎(chǔ)開始，遵循物理定律。首先，PCB 設(shè)計(jì)人員需要了解微波信號對噪聲高度敏感。必須非常小心地對待引起振鈴和反射的可能性。

例如，當(dāng)處理千兆赫范圍或每秒 10Gb 的超高速數(shù)字信號時(shí)，PCB 設(shè)計(jì)人員必須遵循特定的指導(dǎo)方針和規(guī)則。當(dāng) RF 和微波進(jìn)入布局時(shí)，PCB 設(shè)計(jì)人員必須具有相同的思維方式，但由于 RF 比非常高速的數(shù)字信號敏感得多，因此將這種思維方式乘以多次。

其次，阻抗匹配對 RF 極為關(guān)鍵。數(shù)字信號——即使它們非常高速——也有一定的容差。但對于射頻和微波，頻率越高，公差就越小。例如，PCB 設(shè)計(jì)人員必須將其保持在 50 歐姆 - 驅(qū)動(dòng)器輸出 50 歐姆，傳輸期間 50 歐姆，接收器 50 歐姆。

第三，回波損耗必須化。這種損失是由信號反射或振鈴引起的。返回是返回電流所采用的路徑（圖 2）。例如，采用從驅(qū)動(dòng)器到接收器的單端信號。顯然，必須有一個(gè)從接收器到驅(qū)動(dòng)器的返回信號。如果它是單端信號，則返回通常采用阻抗的路徑。

圖 2：參考平面上跡線的返回信號采用的路徑。

在非常高的微波頻率下，返回信號采用電感的路徑。信號下方的地平面可以很好地提供這條路徑。因此，從驅(qū)動(dòng)器到接收器的信號下方平面不應(yīng)有任何不連續(xù)性。但是，如果接地有切口或走線下方不存在接地平面，信號仍會(huì)以某種方式到達(dá)驅(qū)動(dòng)器。它將穿過電源層、PCB 的多層或通過其他路徑——它肯定會(huì)找到返回路徑。但這樣的路徑并不理想，因此會(huì)導(dǎo)致反射和振鈴，因?yàn)樗辉偈亲杩箍刂菩盘枺▓D 3）。

圖 3：傳輸線上阻抗不匹配產(chǎn)生的振鈴

PCB 設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)射頻和微波電路時(shí)還必須牢記串?dāng)_因素。隨著系統(tǒng)性能和電路板密度的增加，串?dāng)_問題及其處理方法變得更加重要。串?dāng)_是由于互感和并聯(lián)電容導(dǎo)致的相鄰導(dǎo)體之間的能量傳遞。來自有源線路的耦合能量疊加在受害線路上。

流向接收器的耦合信號構(gòu)成前向串?dāng)_。向源頭行進(jìn)的那些構(gòu)成反向串?dāng)_。后向串?dāng)_是電感耦合和電容耦合的總和，而前向串?dāng)_是兩者之差。串?dāng)_是高頻設(shè)計(jì)中的主要問題。這是因?yàn)樗c活動(dòng)線路的邊沿速率成正比。

其他因素是兩條線的接近程度以及兩條線相互平行的距離。因此，高速信號的路由應(yīng)盡可能遠(yuǎn)。理想情況下，中心到中心的距離至少應(yīng)是這些信號跡線寬度的四倍。

線條彼此平行的距離也應(yīng)保持在限度。其他解決方案包括減小線路與其參考平面之間的電介質(zhì)間距或引入共面結(jié)構(gòu)，其中在跡線之間插入接地平面。在其特性阻抗上終止線路也可以將串?dāng)_降低多達(dá) 50%。

PCB 上的所有走線不需要進(jìn)行阻抗控制。只有當(dāng)從驅(qū)動(dòng)器到接收器的走線總長度大于信號波長的 1/16 時(shí)，才需要對該走線進(jìn)行阻抗控制。波長的 1/16 稱為信號的臨界長度。

頻率與波長成反比。頻率越高，波長越短。例如，對于基于微帶 FR4 的 PCB 上的 1GHz，臨界長度約為 0.425 英寸。因此，如果您要路由 1GHz 信號，其總長度大于 425 密耳，則該走線需要進(jìn)行阻抗控制。臨界長度還取決于 PCB 的材料以及傳輸線技術(shù)。

使用 RF 電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮層壓板特性，例如耗散因數(shù)和介電常數(shù) （Dk） 值及其變化。FR4 的耗散因數(shù)高于 Rogers 和 Nelco 等高頻層壓板。這意味著使用 FR4 時(shí)插入損耗要高得多。這些損耗也是頻率的函數(shù)，并且會(huì)隨著頻率的升高而增加。其次，F(xiàn)R4 的 Dk 值可以變化多達(dá) 10%。這又會(huì)改變阻抗。高頻層壓板具有更穩(wěn)定的頻率特性。

然后是 Dk 值本身。對于微波電路，Dk 值與電路元件的尺寸密切相關(guān)，因此設(shè)計(jì)人員可以通過選擇具有較高 Dk 值的層壓板來減小電路尺寸。

避免損失

如上所述，阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致反射。如果跡線沒有正確端接或者返回路徑?jīng)]有優(yōu)化，那么信號上就會(huì)有反射或振鈴。還有其他信號損失。個(gè)是信號的趨膚效應(yīng)損失，具體是信號走線上的趨膚效應(yīng)損失。重要的是要注意趨膚效應(yīng)是頻率的量度。

在高頻下，電子傾向于在導(dǎo)體的外表面流動(dòng)；這就是所謂的“趨膚效應(yīng)”。在跡線本身上，有一個(gè)非常小的區(qū)域用作移動(dòng)電子的漏斗。這個(gè)漏斗會(huì)在跡線上產(chǎn)生熱量，并且一些通過跡線的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量并損失掉，從而造成信號的趨膚效應(yīng)損失。

介電損耗與趨膚效應(yīng)損耗相伴隨，因?yàn)閮烧叨伎梢栽跇O高頻率下產(chǎn)生。與趨膚效應(yīng)損耗一樣，當(dāng)電子流過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生介電損耗。這些電子中有安靜的能量。例如，它們與 FR4 PCB 基板上的電子一起來回反彈。在此相互作用過程中，來自流經(jīng)導(dǎo)體的電子的一些能量隨后被轉(zhuǎn)移到 FR4 上的電子。因此，該能量轉(zhuǎn)化為熱量并隨后損失，并產(chǎn)生介電損耗。圖 4 顯示了 PCB 傳輸線中的損耗與頻率的函數(shù)關(guān)系。

圖 4：PCB 傳輸線中的損耗

在這種情況下，對于極高頻微波電路，使用聚四氟乙烯特氟龍，在行業(yè)中稱為 PTFE 材料。這些層壓板的耗散因數(shù)約為 0.001（與 FR4 的耗散因數(shù) 0.02 相比）。其次，在射頻電路上使用金體可以大大減少趨膚損耗。