無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)原則 - 全文

1、引言

射頻(RF)PCB設(shè)計(jì)，在目前公開(kāi)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(duì)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(jì)原則前提下的仔細(xì)規(guī)劃是一次性成功設(shè)計(jì)的保證。對(duì)于微波以上頻段和高頻的PC類數(shù)字電路，則需要2~3個(gè)版本的PCB方能保證電路品質(zhì)。而對(duì)于微波以上頻段的RF電路，則往往需要更多版本的PCB。PCB設(shè)計(jì)不斷完善，而且是在具備相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的前提下。由此可知RF電設(shè)計(jì)上的困難。

2、RF電路設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題

2．1 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，一旦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)閿?shù)字信號(hào)頻繁地在地和正電源(>3 V)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(wú)線調(diào)諧回路傳到無(wú)線設(shè)備接收部分的信號(hào)一般小于lμV。因此數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)之間的差別會(huì)達(dá)到120 dB。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(lái)，無(wú)線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作。

2．2 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lMHz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．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、RF電路設(shè)計(jì)原則及方案

3．1 RF布局概念

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(kāi)來(lái)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(méi)有過(guò)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信號(hào)。

3．2 物理分區(qū)和電氣分區(qū)設(shè)計(jì)原則

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、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(hào)以及接地等的分區(qū)。

3．2．1 物理分區(qū)原則

(1)元器件位置布局原則。元器件布局是實(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)整其方向,以便將RF路徑的長(zhǎng)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。

(2)PCB堆疊設(shè)計(jì)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(guò)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(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)。

(3)射頻器件及其RF布線布局原則。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(kāi)來(lái)，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。RF與IF跡線應(yīng)盡可能十字交*，并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對(duì)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(jì)中占大部分時(shí)間的原因。

3．2．2 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(wèn)題。不過(guò)．必須為高功率放大器的電源單獨(dú)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(gè)通孔來(lái)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(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(lái)多種的問(wèn)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(jì)一個(gè)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?，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(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。

(4)濾波器輸入，輸出隔離原則。如果射頻信號(hào)線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端，那么，這可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出良好地隔離。首先必須在濾波器周?chē)贾靡蝗Φ亍Ｆ浯螢V波器下層區(qū)域也要布置一塊地，并與圍繞濾波器的主地連接起來(lái)。把需要穿過(guò)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。此外，整塊板上各個(gè)地方的接地都要十分小心,否則可能會(huì)在不知覺(jué)之中引入一條不希望發(fā)生的耦合通道。

(5)數(shù)字電路和模擬電路隔離。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，它同樣適用于RF PCB設(shè)計(jì)。公共模擬地和用于屏蔽和隔開(kāi)信號(hào)線的地通常是同等重要的，由于疏忽而引起的設(shè)計(jì)更改將可能導(dǎo)致即將完成的設(shè)計(jì)又必須推倒重來(lái)。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(pán)和元件周?chē)鷳?yīng)盡可能多地填接地銅皮．并盡可能與主地相連。如果RF走線必須穿過(guò)信號(hào)線,那么盡量在它們之間沿著RF走線布置一層與主地相連的地。如果不可能，一定要保證它們是十字交*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?chē)嗖家恍┑?，并把它們連到主地。此外。將并行RF走線之間的距離減到最小可使感性耦合減到最小。

4、結(jié)束語(yǔ)

迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事各類無(wú)線通信的工程技術(shù)人員提供了廣闊的前景。但同時(shí)，射頻電路的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)能力。本文總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)可以幫助射頻集成電路開(kāi)發(fā)者縮短開(kāi)發(fā)周期。避免走不必要的彎路，節(jié)省人力物力。