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PCB

設(shè)計(jì)時(shí)

RF

布局技巧

手機(jī)功能的增加對(duì)

PCB

板的設(shè)計(jì)要求更高

,

伴隨著一輪藍(lán)牙設(shè)備、

蜂窩電話和

3G

時(shí)代來(lái)

臨

,

使得工程師越來(lái)越關(guān)注

RF

電路的設(shè)計(jì)技巧。

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)”

，但這個(gè)觀點(diǎn)只有部分正確，

RF

電路板設(shè)計(jì)也

有許多可以遵循的準(zhǔn)則和不應(yīng)該被忽視的法則。

不過(guò)，

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，

真正實(shí)用的技巧是當(dāng)

這些準(zhǔn)則和法則因各種設(shè)計(jì)約束而無(wú)法準(zhǔn)確地實(shí)施時(shí)如何對(duì)它們進(jìn)行折衷處理。

當(dāng)然，

有許

多重要的

RF

設(shè)計(jì)課題值得討論，包括阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板以及波長(zhǎng)和駐

波，

所以這些對(duì)手機(jī)的

EMC

、

EMI

影響都很大，

下面就對(duì)手機(jī)

PCB

板的在設(shè)計(jì)

RF

布局時(shí)必須

滿(mǎn)足的條件加以總結(jié)：

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。手機(jī)功能比較多、元器件很多，但是

PCB

空間較小，

同時(shí)考慮到布線的設(shè)計(jì)過(guò)程限定最高，

所有的這一些對(duì)設(shè)計(jì)技巧的要求就比較高。

這時(shí)候可能需要設(shè)計(jì)四層到六層

PCB

了，

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

緩沖器和壓控制振蕩器

(VCO)

。

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，銅皮越多越好。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)。

2 

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(wèn)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)。

3.2.1 

我們討論物理分區(qū)問(wèn)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(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。

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

線走在表層上。將

RF

路徑上的過(guò)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(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。

3.2.2 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?/p>

PCB

板的某一

面，而高功率放大器放在另一面，并最終通過(guò)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。

需要一些技巧來(lái)確保直通過(guò)孔不會(huì)把

RF

能量從板的一面?zhèn)鬟f到另一面，

常用的技術(shù)是在兩面都使用盲孔。可以通過(guò)將直通過(guò)孔安排在

PCB

板兩面都不受

RF

干擾的

區(qū)域來(lái)將直通過(guò)孔的不利影響減到最小。有時(shí)不太可能在多個(gè)電路塊之間保證足夠的隔離，

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)，金屬屏蔽罩必須焊

在地上，

必須與元器件保持一個(gè)適當(dāng)距離，

因此需要占用寶貴的

PCB

板空間。

盡可能保證屏

蔽罩的完整非常重要，

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，

而且最好走線層的

下面一層

PCB

是地層。

RF

信號(hào)線可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和地缺口處的布線層上走

出去，不過(guò)缺口處周?chē)M可能地多布一些地，不同層上的地可通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連在一起。

3.2.3 

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(lái)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(kāi)漏極輸出，

因此需要一個(gè)上拉電感來(lái)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(lái)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。

3.2.4 

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(zhǎng)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(lái)了更多的問(wèn)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(lái)自線路板外部的噪聲，然后再經(jīng)過(guò)一組開(kāi)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(wèn)題，

不過(guò)，

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(guò)孔來(lái)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(lái)各種各樣的

問(wèn)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?/p>

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。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?chē)家蝗Φ兀?/p>

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(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，否則會(huì)在引入一條耦合通道。有時(shí)可

以選擇走單端或平衡

RF

信號(hào)線，有關(guān)交叉干擾和

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，

可以減少噪聲和交叉干擾，

但是它們的阻抗通常比較高，

而且要

保持一個(gè)合理的線寬以得到一個(gè)匹配信號(hào)源、

走線和負(fù)載的阻抗，

實(shí)際布線可能會(huì)有一些困

難。

緩沖器可以用來(lái)提高隔離效果，

因?yàn)樗砂淹粋€(gè)信號(hào)分為兩個(gè)部分，

并用于驅(qū)動(dòng)不同

的電路，特別是本振可能需要緩沖器來(lái)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

離狀態(tài)時(shí)，

它將無(wú)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

(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聲轉(zhuǎn)換為微小的頻率變化，而這就給

RF

信

號(hào)增加了噪聲。

3.2.5 

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(guò)濾波來(lái)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(lái)噪聲的走線隔離開(kāi)來(lái)。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(jiǎn)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(yǔ)音或數(shù)據(jù)調(diào)制到

RF

信號(hào)上。所有

VCO

的設(shè)計(jì)原則同樣適用于諧振電路。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)較大的電感和電容配合才能工作，

這反過(guò)來(lái)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(wèn)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(guò)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(zhǎng)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(kāi)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評(píng)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(pán)和元件周?chē)鷳?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(guò)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?chē)嗖家恍┑兀?/p>

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

可以將感性耦合減到最小。

一個(gè)實(shí)心的整塊接地面直接放在表層下第一層時(shí)，

隔離效果最好，

盡管小心一點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)其它的做法也管用。

在

PCB

板的每一層，

應(yīng)布上盡可能多的地，

并把它

們連到主地面。

盡可能把走線靠在一起以增加內(nèi)部信號(hào)層和電源分配層的地塊數(shù)量，

并適當(dāng)

調(diào)整走線以便你能將地連接過(guò)孔布置到表層上的隔離地塊。

應(yīng)當(dāng)避免在

PCB

各層上生成游離

地，

因?yàn)樗鼈儠?huì)像一個(gè)小天線那樣拾取或注入噪音。

在大多數(shù)情況下，

如果你不能把它們連

到主地，那么你最好把它們?nèi)サ簟?/p>

3 

在手機(jī)

PCB

板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)方面給予極大的重視

3.3.1 

電源、地線的處理

既使在整個(gè)

PCB

板中的布線完成得都很好，但由于電源、

地線的考慮不周到而引起

的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，

有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對(duì)電、

地線的布線要認(rèn)

真對(duì)待，把電、

地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

對(duì)每個(gè)從事電子

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工程人員來(lái)說(shuō)都明白地線與電源線之間噪音所產(chǎn)生的原因，

現(xiàn)只對(duì)降低式抑制

噪音作以表述：

(1)

、眾所周知的是在電源、地線之間加上去耦電容。

(2)

、盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線＞電源線＞

信號(hào)線，通常信號(hào)線寬為：

0.2

～

0.3mm,

最經(jīng)細(xì)寬度可達(dá)

0.05

～

0.07mm,

電源線為

1.2

～

2.5 

mm

。

對(duì)數(shù)字電路的

PCB

可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路

, 

即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用

(

模擬電路的

地不能這樣使用

)  

(3)

、

用大面積銅層作地線用

,

在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線用。

或是

做成多層板，電源，地線各占用一層。

3.3.2 

數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

現(xiàn)在有許多

PCB

不再是單一功能電路（數(shù)字或模擬電路）

，而是由數(shù)字電路和模擬電

路混合構(gòu)成的。

因此在布線時(shí)就需要考慮它們之間互相干擾問(wèn)題，

特別是地線上的噪音干擾。

數(shù)字電路的頻率高，

模擬電路的敏感度強(qiáng)，

對(duì)信號(hào)線來(lái)說(shuō)，

高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的

模擬電路器件，

對(duì)地線來(lái)說(shuō)，

整人

PCB

對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，

所以必須在

PCB

內(nèi)部進(jìn)行處理

數(shù)、

模共地的問(wèn)題，

而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)的它們之間互不相連，

只是在

PCB

與外界連接的接口處（如插頭等）

。數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接，請(qǐng)注意，只有一個(gè)連

接點(diǎn)。也有在

PCB

上不共地的，這由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)決定。

3.3.3 

信號(hào)線布在電（地）層上

在多層印制板布線時(shí)，

由于在信號(hào)線層沒(méi)有布完的線剩下已經(jīng)不多，

再多加層數(shù)就會(huì)

造成浪費(fèi)也會(huì)給生產(chǎn)增加一定的工作量，

成本也相應(yīng)增加了，

為解決這個(gè)矛盾，

可以考慮在

電（地）層上進(jìn)行布線。首先應(yīng)考慮用電源層，其次才是地層。因?yàn)樽詈檬潜Ａ舻貙拥耐暾?/p>

性。

3.3.4 

大面積導(dǎo)體中連接腿的處理

在大面積的接地（電）中，常用元器件的腿與其連接，

對(duì)連接腿的處理需要進(jìn)行綜合