RF無線射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

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(dú)工作，可能各自工作良好。但是，一日將二者放在同一塊電路板上，使用同一個(gè)電源一起工作，整個(gè)系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)頻繁地在地和正電源>3V之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是納秒級(jí)的。由于較大的振幅和較短的切換時(shí)間。使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量且獨(dú)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(hào)一般小于1uV。因此數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)之間的差別會(huì)達(dá)到120dB。顯然，如果不能使數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)很好地分離。微弱的射頻信號(hào)可能遭到破壞，這樣一來，無線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作。

2、供電電源的噪聲干擾

射頻電路對(duì)于電源噪聲相當(dāng)敏感，尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸人大部分電流，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(gè)微控制器以1MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)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.的地方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(shí)可能導(dǎo)致工作失效。

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(duì)于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，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(huì)如電感器一樣作用。粗略地計(jì)算，每毫米長度的電感量約為1nH433MHz時(shí)10toniPCB線路的感抗約27Ω。如果不采用地線層，大多數(shù)地線將會(huì)較長，電路將無法具有設(shè)計(jì)的特性。

4、天線對(duì)其他模擬電路部分的輻射干擾

在PCB電路設(shè)計(jì)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(hào)可能會(huì)到達(dá)ADC的模擬淙父恕 R蛭魏蔚緶廢唄范伎贍莧縑煜咭謊3齷蚪郵脖F信號(hào)。如果ADC輸入端的處理不合理，RE信號(hào)可能在ADC輸入的ESD二極管內(nèi)自激。從而引起ADC偏差。

在設(shè)計(jì)RF布局時(shí),必須優(yōu)先滿足以下幾個(gè)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:

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;

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(hào)應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號(hào)和RF信:

物理分區(qū)、電氣分區(qū)設(shè)計(jì)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、朝向和屏蔽等問題;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(hào)以及接地等的分區(qū)。

1、我們討論物理分區(qū)問題

元器件布局是實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)秀RF設(shè)計(jì)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)整其朝向以將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。

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RE線走在表層上。將RF路徑上的過孔尺寸減到最小不僅可以減少路徑電感，而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn)，并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機(jī)會(huì)。在物理空間上，像多級(jí)放大器這樣的線性電路通常足以將多個(gè)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(gè)RF/IF信號(hào)相互干擾，因此必須小心地將這一影響減到最小。

2、F與F走線應(yīng)盡可能走一字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊地

正確的RF路徑對(duì)整塊PCB板的性能而言非常重要，這也就是為什么元器件布局通常在手機(jī)PCB板設(shè)計(jì)中占大部分時(shí)間的原因。在手機(jī)PCB板設(shè)計(jì)上，通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB板的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最終通過雙工器把它們?cè)谕幻嫔线B接到RF端和基帶處理器端的天線上。

3、恰當(dāng)和有效的芯片電源去耦也非常重要

許多集成了線性線路的RF芯片對(duì)電源的噪音非常敏感，通常每個(gè)芯片都需要采用高達(dá)四個(gè)電容和一個(gè)隔離電感來確保濾除所有的電源噪音。一塊集成電路或放大器常常帶有一個(gè)開漏極輸出，因此需要一個(gè)上拉電感來提供一個(gè)高阻抗RF負(fù)載和一個(gè)低阻抗直流電源，同樣的原則也適用于對(duì)這一電感端的電源進(jìn)行去耦。

有些芯片需要多個(gè)電源才能工作，因此你可能需要兩到三套電容和電感來分別對(duì)它們進(jìn)行去耦處理，電感極少并行靠在一起，因?yàn)檫@將形成一個(gè)空芯變壓器并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號(hào)，因此它們之間的距離至少要相當(dāng)于其中一個(gè)器件的高度，或者成直角排列以將其互感減到最小。

4、電氣分區(qū)原則大體上與物理分區(qū)相同，但還包含一些其它因素手機(jī)的某些部分采用不同工作電壓，并借助軟件對(duì)其進(jìn)行控制，以延長電池工作壽命。這意味著手機(jī)需要運(yùn)行多種電源，而這給隔離帶來了更多的問題。

電源通常從連接器引入，并立即進(jìn)行去耦處理以濾除任何來自線路板外部的噪聲，然后再經(jīng)過一組開關(guān)或穩(wěn)壓器之后對(duì)其進(jìn)行分配。手機(jī)PCB板上大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)小，因此走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(dú)走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(gè)過孔來將電流從某一層傳遞到另一層。此外，如果不能在高功率放大器的電源引腳端對(duì)它進(jìn)行充分的去耦。那么高功率噪聲將會(huì)輻射到整塊板上，并帶來各種各樣的問題。

高功率放大器的接地相當(dāng)關(guān)鍵，并經(jīng)常需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)金屬屏蔽罩。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敲此鼈兙陀锌赡墚a(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(shí)際上，它們可能會(huì)變得不穩(wěn)定，并將噪音和互調(diào)信號(hào)添加到RF信號(hào)上。如果射頻信號(hào)線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端，這可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出得到良好的隔離，首先必須在濾波器周圍布一圈地，其次濾波器下層區(qū)域也要布一塊地，并與圍繞濾波器的主地連接起來。把需要穿過濾波器的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離濾波器引腳也是個(gè)好方法。

5、要保證不增加噪聲必須從以下幾個(gè)方面考慮

首先，控制線的期望頻寬范圍可能從DC直到2MHz，而通過濾波來去掉這么寬頻帶的噪聲幾乎是不可能的:其次，VCO控制線通常是一個(gè)控制頻率的反饋回路的一部分，它在很多地方都有可能引入噪聲，因此必須非常小心處理VCO控制線。要確保RF 走線下層的地是實(shí)心的，而且所有的元器件都牢固地連到主地上，并與其它可能帶來噪聲的走線隔離開來。

此外，要確保VCO的電源已得到充分去耦，由于VCO的RF輸出往往是一個(gè)相對(duì)較高的電平，VCO輸出信號(hào)很容易干擾其它電路，因此必須對(duì)VCO加以特別注意。事實(shí)上，VCO往往布放在RF區(qū)域的末端，有時(shí)它還需要一個(gè)金屬屏蔽罩。

諧振電路一個(gè)用于發(fā)射機(jī)，另一個(gè)用于接收機(jī)與VCO有關(guān)，但也有它自己的特點(diǎn)。簡單地講，諧振電路是一個(gè)帶有容性二極管的并行諧振電路，它有助于設(shè)置VCO工作頻率和將語音或數(shù)據(jù)調(diào)制到RF信號(hào)上。所有VCO的設(shè)計(jì)原則同樣適用干諧振電路。由于諧振電

路含有數(shù)量相當(dāng)多的元器件、板上分布區(qū)域較寬以及通常運(yùn)行在一個(gè)很高的RF頻率下，因此諧振電路通常對(duì)噪聲非常敏感。

信號(hào)通常排列在芯片的相鄰腳上，但這些信號(hào)引腳又需要與相對(duì)較大的申感和電容配

合才能工作，這反過來要求這些電感和電容的位置必須靠得很近，并連回到一個(gè)對(duì)噪聲很敏感的控制環(huán)路上。要做到這點(diǎn)是不容易的。

自動(dòng)增益控制AGC放大器同樣是一個(gè)容易出問題的地方，不管是發(fā)射還是接收電路都會(huì)有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲，不過由于手機(jī)具備處理發(fā)射和接收信號(hào)強(qiáng)度快速變化的能力，因此要求AGC電路有一個(gè)相當(dāng)寬的帶寬，而這使某些關(guān)鍵電路上的AGC放大器很容易引入噪聲。設(shè)計(jì)AGC線路必須遵守良好的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)，而這跟很短的運(yùn)放輸入引腳和很短的反饋路徑有關(guān)，這兩處都必須遠(yuǎn)離RF、IF或高速數(shù)字信號(hào)走線。

同樣，良好的接地也必不可少，而且芯片的電源必須得到良好的去耦。如果必須要在輸入或輸出端走一根長線，那么最好是在輸出端，通常輸出端的阻抗要低得多，而且也不容易感應(yīng)噪聲。通常信號(hào)電平越高，就越容易把噪聲引入到其它電路。在所有PCB設(shè)計(jì)中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一條總的原則，它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì)。公共模擬地和用于屏蔽和隔開信號(hào)線的地通常是同等重要的，因此在設(shè)計(jì)早期階段，仔細(xì)的計(jì)劃、考慮周全的元器件布局和徹底的布局*估都非常重要，同樣應(yīng)使RF線路遠(yuǎn)離模擬線路和一些很關(guān)鍵的數(shù)字信號(hào)，所有的RF走線、焊盤和元件周圍應(yīng)盡可能多填接地銅皮，并盡可能與主地相連。如果RF走線必須穿過信號(hào)線，那么盡量在它們之間沿著RF走線布一層與主地相連的地。如果不可能的話，一定要保證它們是十字交叉的，這可將容性耦合減到最小，同時(shí)盡可能在每根RF走線周圍多布一些地，并把它們連到主地。

審核編輯：湯梓紅