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PCB板RF電路設計技巧

更新時間:2015-12-14 10:56:55點擊次數:3165次

成功的RF設計必須仔細注意整個設計過程中每個步驟及每個細節,這意味著必須在設計開始階段就要進行徹底的、仔細的規劃,并對每個設計步驟的進展進行全面持續的評估。而這種細致的設計技巧正是國內大多數電子企業文化所欠缺的。

近幾年來,由于藍牙設備、無線局域網絡(WLAN)設備,和移動電話的需求與成長,促使業者越來越關注RF電路設計的技巧。從過去到現在,RF電路板設計如同電磁干擾(EMI)問題一樣,一直是工程師們最難掌控的部份,甚至是夢魘。若想要一次就設計成功,必須事先仔細規劃和注重細節才能奏效。

射頻(RF)電路板設計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」(black art) 。但這只是一種以偏蓋全的觀點,RF電路板設計還是有許多可以遵循的法則。不過,在實際設計時,真正實用的技巧是當這些法則因各種限制而無法實施時,如何對它們進行折衷處理。重要的RF設計課題包括:阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長和諧波...等,本文將集中探討與RF電路板分區設計有關的各種問題。

微過孔的種類

電路板上不同性質的電路必須分隔,但是又要在不產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層的連接孔,它不會延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內層,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重疊做好幾個內層。第三種稱為通孔,這種孔穿過整個線路板,可用于實現內部互連或作為組件的黏著定位孔。

采用分區技巧

在設計RF電路板時,應盡可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來,簡單的說,就是讓高功率RF發射電路遠離低噪音接收電路。如果PCB板上有很多空間,那么可以很容易地做到這一點。但通常零組件很多時,PCB空間就會變的很小,因此這是很難達到的??梢园阉鼈兎旁赑CB板的兩面,或者讓它們交替工作,而不是同時工作。高功率電路有時還可包括RF緩沖器(buffer)和壓控振蕩器(VCO)。

設計分區可以分成實體分區(physical partitioning)和電氣分區(Electrical partitioning)。實體分區主要涉及零組件布局、方位和屏蔽等問題;電氣分區可以繼續分成電源分配、RF走線、敏感電路和信號、接地等分區。

實體分區

零組件布局是實現一個優異RF設計的關鍵,最有效的技術是首先固定位于RF路徑上的零組件,并調整其方位,使RF路徑的長度減到最小。并使RF輸入遠離RF輸出,并盡可能遠離高功率電路和低噪音電路。

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,并可減少RF能量泄漏到層疊板內其它區域的機會。

在實體空間上,像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個RF區之間相互隔離開來,但是雙工器、混頻器和中頻放大器總是有多個RF/IF信號相互干擾,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移動電話PCB板設計中占大部份時間的原因。

在移動電話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能量不會藉由過孔,從板的一面傳遞到另一面,常用的技術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干擾的區域,來將過孔的不利影響減到最小。

金屬屏蔽罩

有時,不太可能在多個電路區塊之間保留足夠的區隔,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區域內,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。

外形不規則的金屬屏蔽罩在制造時很難保證高精密度,長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適當的距離,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,所以進入金屬屏蔽罩的數字信號線應該盡可能走內層,而且最好將信號線路層的下一層設為接地層。RF信號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,不同信號層上的接地可藉由多個過孔連在一起。

盡管有以上的缺點,但是金屬屏蔽罩仍然非常有效,而且常常是隔離關鍵電路的唯一解決方案.


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