射頻電路板設(shè)計(jì)知識(shí)整理

在電磁波頻率低于100khz時(shí)，電磁波會(huì)被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz時(shí)，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力，我們把具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，英文縮寫：RF，射頻簡(jiǎn)稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于1000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。

高頻電路基本上是由無源元件、有源器件和無源網(wǎng)絡(luò)組成的。高頻電路中使用的元器件與低頻電路中使用的元器件頻率特性是不同的。高頻電路中無源線性元件主要是電阻（器）、電容（器）和電感（器）。

在電子技術(shù)領(lǐng)域，射頻電路的特性不同于普通的低頻電路。主要原因是在高頻條件下，電路的特性與低頻條件下不同，因此需要利用射頻電路理論去理解射頻電路的工作原理。在高頻條件下，雜散電容和雜散電感對(duì)電路的影響很大。雜散電感存在于導(dǎo)線連接以及組件本身存在的內(nèi)部自感。雜散電容存在于電路的導(dǎo)體之間以及組件和地之間。在低頻電路中，這些雜散參數(shù)對(duì)電路的性能影響很小，隨著頻率的增加，雜散參數(shù)的影響越來越大。在早期的VHF頻段電視接收機(jī)中的高頻頭，以及通信接收機(jī)的前端電路中，雜散電容的影響都非常大以至于不再需要另外添加電容。

此外，在射頻條件下電路存在趨膚效應(yīng)。與直流不同的是，在直流條件下電流在整個(gè)導(dǎo)體中流動(dòng)，而在高頻條件下電流在導(dǎo)體表面流動(dòng)。其結(jié)果是，高頻的交流電阻要大于直流電阻。

在高頻電路中的另一個(gè)問題是電磁輻射效應(yīng)。隨著頻率的增加，當(dāng)波長(zhǎng)可與電路尺寸12比擬時(shí)，電路會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)輻射體。這時(shí)，在電路之間、電路和 外部環(huán)境之間會(huì)產(chǎn)生各種耦合效應(yīng)，因而引出許多干擾問題。這些問題在低頻條件下往往是無關(guān)緊要的。從過去到現(xiàn)在，RF電路板設(shè)計(jì)如同電磁干擾(EMI)問題一樣，一直是工程師們最難掌控的部份，甚至是夢(mèng)魘。若想要一次就設(shè)計(jì)成功，必須事先仔細(xì)規(guī)劃和注重細(xì)節(jié)才能奏效。射頻(RF)電路板設(shè)計(jì)由于在理論上還有很多不確定性，因此常被形容為一種「黑色藝術(shù)」(black art) 。但這只是一種以偏蓋全的觀點(diǎn)，RF電路板設(shè)計(jì)還是有許多可以遵循的法則。不過，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，真正實(shí)用的技巧是當(dāng)這些法則因各種限制而無法實(shí)施時(shí)，如何對(duì)它們進(jìn)行折衷處理。重要的RF設(shè)計(jì)課題包括：阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長(zhǎng)和諧波...等，

本文將集中探討與RF電路板分區(qū)設(shè)計(jì)有關(guān)的各種問題。

微過孔的種類電路板上不同性質(zhì)的電路必須分隔，但是又要在不產(chǎn)生電磁干擾的最佳情況下連接，這就需要用到微過孔(microvia)。通常微過孔直徑為0.05mm至0.20mm，這些過孔一般分為三類，即盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層，層壓前利用通孔成型制程完成，在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。第三種稱為通孔，這種孔穿過整個(gè)線路板，可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為組件的黏著定位孔。

采用分區(qū)技巧在設(shè)計(jì)RF電路板時(shí)，應(yīng)盡可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來。簡(jiǎn)單的說RF接，就是讓高功率RF發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率收電路。如果PCB板上有很多空間，那么可以很容易地做到這一點(diǎn)。但通常零組件很多時(shí)，PCB空間就會(huì)變的很小，因此這是很難達(dá)到的?？梢园阉鼈兎旁赑CB板的兩面，或者讓它們交替工作，而不是同時(shí)工作。高功率電路有時(shí)還可包括RF緩沖器(buffer)和壓控振蕩器(VCO)。設(shè)計(jì)分區(qū)可以分成實(shí)體分區(qū)(physical partitioning)和電氣分區(qū)(Electrical partitioning)。實(shí)體分區(qū)主要涉及零組件布局、方位和屏蔽等問題；電氣分區(qū)可以繼續(xù)分成電源分配、RF走線、敏感電路和信號(hào)、接地等分區(qū)。

實(shí)體分區(qū)零組件布局是實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)異RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，最有效的技術(shù)是首先固定位于RF路徑上的零組件，并調(diào)整其方位，使RF路徑的長(zhǎng)度減到最小。并使RF輸入遠(yuǎn)離RF輸出，并盡可能遠(yuǎn)離高功率電路和低功率電路。最有效的電路板堆棧方法是將主接地安排在表層下的第二層，并盡可能將RF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，而且還可以減少主接地上的虛焊點(diǎn)，并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其它區(qū)域的機(jī)會(huì)。在實(shí)體空間上，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。RF與IF走線應(yīng)盡可能走十字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊接地面積。正確的RF路徑對(duì)整塊PCB板的性能而言非常重要，這也就是為什么零組件布局通常在行動(dòng)電話PCB板設(shè)計(jì)中占大部份時(shí)間的原因。在行動(dòng)電話PCB板上，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，并最終藉由雙工器在同一面上將它們連接到RF天線的一端和基頻處理器的另一端。這需要一些技巧來確保RF能量不會(huì)藉由過孔，從板的一面?zhèn)鬟f到另一面，常用的技術(shù)是在兩面都使用盲孔?？梢越逵蓪⒚た装才旁赑CB板兩面都不受RF干擾的區(qū)域，來將過孔的不利影響減到最小。

金屬屏蔽罩有時(shí)，不太可能在多個(gè)電路區(qū)塊之間保留足夠的區(qū)隔，在這種情況下就必須考慮采用金屬屏蔽罩將射頻能量屏蔽在RF區(qū)域內(nèi)，但金屬屏蔽罩也有副作用，例如：制造成本和裝配成本都很高。外形不規(guī)則的金屬屏蔽罩在制造時(shí)很難保證高精密度，長(zhǎng)方形或正方形金屬屏蔽罩又使零組件布局受到一些限制；金屬屏蔽罩不利于零組件更換和故障移位；由于金屬屏蔽罩必須焊在接地面上，而且必須與零組件保持一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x，因此需要占用寶貴的PCB板空間。盡可能保證金屬屏蔽罩的完整非常重要，所以進(jìn)入金屬屏蔽罩的數(shù)字信號(hào)線應(yīng)該盡可能走內(nèi)層，而且最好將信號(hào)線路層的下一層設(shè)為接地層。RF信號(hào)線可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口處的布線層走線出去，不過缺口處周圍要盡可能被廣大的接地面積包圍，不同信號(hào)層上的接地可藉由多個(gè)過孔連在一起。盡管有以上的缺點(diǎn)，但是金屬屏蔽罩仍然非常有效，而且常常是隔離關(guān)鍵電路的唯一解決方案。

電源去耦電路此外，恰當(dāng)而有效的芯片電源去耦(decouple)電路也非常重要。許多整合了線性線路的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)隔離電感來濾除全部的電源噪音。(圖一)

圖一芯片電源去耦電路

最小電容值通常取決于電容本身的諧振頻率和接腳電感，C4的值就是據(jù)此選擇的。C3和C2的值由于其自身接腳電感的關(guān)系而相對(duì)比較大，從而RF去耦效果要差一些，不過它們較適合于濾除較低頻率的噪音信號(hào)。RF去耦則是由電感L1完成的，它使RF信號(hào)無法從電源線耦合到芯片中。因?yàn)樗械淖呔€都是一條潛在的既可接收也可發(fā)射RF信號(hào)的天線，所以，將射頻信號(hào)與關(guān)鍵線路、零組件隔離是必須的。

這些去耦組件的實(shí)體位置通常也很關(guān)鍵。這幾個(gè)重要組件的布局原則是：C4要盡可能靠近IC接腳并接地，C3必須最靠近C4，C2必須最靠近C3，而且IC接腳與C4的連接走線要盡可能短，這幾個(gè)組件的接地端(尤其是C4)通常應(yīng)當(dāng)藉由板面下第一個(gè)接地層與芯片的接地腳相連。將組件與接地層相連的過孔應(yīng)該盡可能靠近PCB板上的組件焊盤，最好是使用打在焊盤上的盲孔將連接線電感減到最小，電感L1應(yīng)該靠近C1。一個(gè)集成電路或放大器常常具有一個(gè)開集極(open collector)輸出，因此需要一個(gè)上拉電感(pullup inductor)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)這一電感的電源端進(jìn)行去耦。有些芯片需要多個(gè)電源才能工作，因此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，如果該芯片周圍沒有足夠的空間，那么去耦效果可能不佳。尤其需要特別注意的是:電感極少平行靠在一起，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)于其中之一的高度，或者成直角排列以使其互感減到最小。

電氣分區(qū)電氣分區(qū)原則上與實(shí)體分區(qū)相同，但還包含一些其它因素?，F(xiàn)代行動(dòng)電話的某些部份采用不同工作電壓，并借助軟件對(duì)其進(jìn)行控制，以延長(zhǎng)電池工作壽命。這意味著行動(dòng)電話需要運(yùn)行多種電源，而這產(chǎn)生更多的隔離問題。電源通常由連接線(connector)引入，并立即進(jìn)行去耦處理以濾除任何來自電路板外部的噪音，然后經(jīng)過一組開關(guān)或穩(wěn)壓器，之后，進(jìn)行電源分配。在行動(dòng)電話里，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)設(shè)計(jì)出一條盡可能寬的大電流線路，以使發(fā)射時(shí)的壓降(voltage drop)能減到最低。為了避免太多電流損耗，需要利用多個(gè)過孔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接腳端對(duì)它進(jìn)行充分的去耦，那么高功率噪音將會(huì)輻射到整塊電路板上，并帶來各種各樣的問題。高功率放大器的接地相當(dāng)重要，并經(jīng)常需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)金屬屏蔽罩。

RF輸出必須遠(yuǎn)離RF輸入在大多數(shù)情況下，必須做到RF輸出遠(yuǎn)離RF輸入。這原則也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞的情況下，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?，那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。它們可能會(huì)變得不穩(wěn)定，并將噪音和互調(diào)相乘信號(hào)(intermodulation products)添加到RF信號(hào)上。如果射頻信號(hào)線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，首先在濾波器周圍必須是一塊主接地面積，其次濾波器下層區(qū)域也必須是一塊接地面積，并且此接地面積必須與圍繞濾波器的主接地連接起來。把需要穿過濾波器的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離濾波器接腳也是個(gè)好方法。此外，整塊電路板上各個(gè)地方的接地都要十分小心，否則可能會(huì)在不知不覺中引入一條不希望發(fā)生的耦合信道。(圖二)詳細(xì)說明了這一接地辦法。有時(shí)可以選擇走單端(single-ended)或平衡的RF信號(hào)線(balanced RF traces)，有關(guān)串音(crosstalk)和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號(hào)線如果走線正確的話，可以減少噪音和串音，但是它們的阻抗通常比較高。而且為了得到一個(gè)阻抗匹配的信號(hào)源、走線和負(fù)載，需要保持一個(gè)合理的線寬，這在實(shí)際布線時(shí)可能會(huì)有困難。

圖二濾波器四周被接地面（綠色區(qū)域）包圍

緩沖器

緩沖器可以用來提高隔離效果，因?yàn)樗砂淹粋€(gè)信號(hào)分為兩個(gè)部份，并用于驅(qū)動(dòng)不同的電路。尤其是本地振蕩器可能需要緩沖器來驅(qū)動(dòng)多個(gè)混頻器。當(dāng)混頻器在RF頻率處到達(dá)共模隔離(common mode isolation)狀態(tài)時(shí)，它將無法正常工作。緩沖器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化，從而電路之間不會(huì)相互干擾。緩沖器對(duì)設(shè)計(jì)的幫助很大，它們可以緊跟在需要被驅(qū)動(dòng)電路的后面，從而使高功率輸出走線非常短，由于緩沖器的輸入信號(hào)電平比較低，因此它們不易對(duì)板上的其它電路造成干擾。壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO)可將變化的電壓轉(zhuǎn)換為變化的頻率，這一特性被用于高速頻道切換，但它們同樣也將控制電壓上的微量噪音轉(zhuǎn)換為微小的頻率變化，而這就給RF信號(hào)增加了噪音。

總之，在壓控振蕩器處理過以后，再也沒有辦法從RF輸出信號(hào)中將噪音去掉。困難在于VCO控制線(control line)的期望頻寬范圍可能從DC到2MHz，而藉由濾波器來去掉這么寬的頻帶噪音幾乎是不可能的；其次，VCO控制線通常是一個(gè)控制頻率的反饋回路的一部份，它在很多地方都有可能引入噪音，因此必須非常小心處理VCO控制線。諧振電路諧振電路(tank circuit)用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，它與VCO有關(guān)，但也有它自己的特點(diǎn)。簡(jiǎn)單地說，諧振電路是由一連串具有電感電容的二極管并連而成的諧振電路，它有助于設(shè)定VCO工作頻率和將語(yǔ)音或數(shù)據(jù)調(diào)變到RF載波上。所有VCO的設(shè)計(jì)原則同樣適用于諧振電路。由于諧振電路含有數(shù)量相當(dāng)多的零組件、占據(jù)面積大、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)噪音非常敏感。信號(hào)通常排列在芯片的相鄰接腳上，但這些信號(hào)接腳又需要與較大的電感和電容配合才能工作，這反而需要將這些電感和電容的位置盡量靠近信號(hào)接腳，并連回到一個(gè)對(duì)噪音很敏感的控制環(huán)路上，但是又要盡量避免噪音的干擾。要做到這點(diǎn)是不容易的。

自動(dòng)增益控制放大器自動(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音，不過由于行動(dòng)電話具備處理發(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)大的頻寬，這就使AGC放大器很容易引入噪音。設(shè)計(jì)AGC線路必須遵守模擬電路的設(shè)計(jì)原則，亦即使用很短的輸入接腳和很短的反饋路徑，而且這兩處都必須遠(yuǎn)離RF、IF或高速數(shù)字信號(hào)線路。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。如果必須在輸入或輸出端設(shè)計(jì)一條長(zhǎng)的走線，那么最好是選擇在輸出端實(shí)現(xiàn)它，因?yàn)?，通常輸出端的阻抗要比輸入端低得多，而且也不容易引入噪音。通常信?hào)電平越高，就越容易將噪音引入到其它電路中。接地要確保RF走線下層的接地是實(shí)心的，而且所有的零組件都要牢固地連接到主接地上，并與其它可能帶來噪音的走線隔離開來。

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)相當(dāng)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往往放在RF區(qū)域的末端，有時(shí)它還需要一個(gè)金屬屏蔽罩。在所有PCB設(shè)計(jì)中，盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一個(gè)大原則，它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì)。公共模擬接地和用于屏蔽和隔開信號(hào)線的接地通常是同等重要的。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、焊盤和組件周圍應(yīng)盡可能是接地銅皮，并盡可能與主接地相連。微型過孔（microvia）構(gòu)造板在RF線路開發(fā)階段很有用，它毋須花費(fèi)任何開銷就可隨意使用很多過孔，否則在普通PCB板上鉆孔將會(huì)增加開發(fā)成本，這在大批量產(chǎn)時(shí)是不經(jīng)濟(jì)的。將一個(gè)實(shí)心的整塊接地面直接放在表面下第一層時(shí)，隔離效果最好。將接地面分成幾塊來隔離模擬、數(shù)字和RF線路時(shí)，其效果并不好，因?yàn)樽罱K總是有一些高速信號(hào)線要穿過這些分開的接地面，這不是很好的設(shè)計(jì)。還有許多與信號(hào)和控制線相關(guān)的課題需要特別注意，但它們超出了本文探討的范圍。

結(jié)語(yǔ)不論RF PCB設(shè)計(jì)是不是一門「黑色藝術(shù)」，遵守一些基本的RF設(shè)計(jì)規(guī)則和參考一些優(yōu)異的設(shè)計(jì)實(shí)例將有助于完成RF設(shè)計(jì)工作。成功的RF設(shè)計(jì)必須仔細(xì)注意整個(gè)設(shè)計(jì)過程中每個(gè)步驟及每個(gè)細(xì)節(jié)，這意味著必須在設(shè)計(jì)開始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃，并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟的進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)的評(píng)估。而這種細(xì)致的設(shè)計(jì)技巧正是國(guó)內(nèi)大多數(shù)電子企業(yè)文化所欠缺的。