射頻電路板設(shè)計技巧

1、射頻電路路板設(shè)計計技巧成功的RRF設(shè)計計必須仔仔細(xì)注意意整個設(shè)設(shè)計過程程中每個個步驟及及每個細(xì)細(xì)節(jié)，這這意味著著必須在在設(shè)計開開始階段段就要進(jìn)進(jìn)行徹底底的、仔仔細(xì)的規(guī)規(guī)劃，并并對每個個設(shè)計步步驟的進(jìn)進(jìn)展進(jìn)行行全面持持續(xù)的評評估。而而這種細(xì)細(xì)致的設(shè)設(shè)計技巧巧正是國國內(nèi)大多多數(shù)電子子企業(yè)文文化所欠欠缺的。近幾年來來，由于于藍(lán)芽設(shè)設(shè)備、無無線局域域網(wǎng)絡(luò)(WLAAN)設(shè)設(shè)備，和和行動電電話的需需求與成成長，促促使業(yè)者者越來越越關(guān)注RRF電路路設(shè)計的的技巧。從過去去到現(xiàn)在在，RFF電路板板設(shè)計如如同電磁磁干擾(EMII)問題題一樣，一直是是工程師師們最難難掌控的的部份，甚至是是夢魘。若想要要一次就就設(shè)計

2、成成功，必必須事先先仔細(xì)規(guī)規(guī)劃和注注重細(xì)節(jié)節(jié)才能奏奏效。射頻(RRF)電電路板設(shè)設(shè)計由于于在理論論上還有有很多不不確定性性，因此此常被形形容為一一種黑黑色藝術(shù)術(shù)(bblacck aart) 。但但這只是是一種以以偏蓋全全的觀點點，RFF電路板板設(shè)計還還是有許許多可以以遵循的的法則。不過，在實際際設(shè)計時時，真正正實用的的技巧是是當(dāng)這些些法則因因各種限限制而無無法實施施時，如如何對它它們進(jìn)行行折衷處處理。重重要的RRF設(shè)計計課題包包括：阻阻抗和阻阻抗匹配配、絕緣緣層材料料和層疊疊板、波波長和諧諧波.等，本文將將集中探探討與RRF電路路板分區(qū)區(qū)設(shè)計有有關(guān)的各各種問題題。微過孔的的種類電路板上上不同性

3、性質(zhì)的電電路必須須分隔，但是又又要在不不產(chǎn)生電電磁干擾擾的最佳佳情況下下連接，這就需需要用到到微過孔孔(miicrooviaa)。通通常微過過孔直徑徑為0.05mmm至0.220mmm，這些些過孔一一般分為為三類，即盲孔孔(bllindd viia)、埋孔(burry vvia)和通孔孔(thhrouugh viaa)。盲盲孔位于于印刷線線路板的的頂層和和底層表表面，具具有一定定深度，用于表表層線路路和下面面的內(nèi)層層線路的的連接，孔的深深度通常常不超過過一定的的比率(孔徑)。埋孔孔是指位位于印刷刷線路板板內(nèi)層的的連接孔孔，它不不會延伸伸到線路路板的表表面。上上述兩類類孔都位位于線路路板的內(nèi)內(nèi)層

4、，層層壓前利利用通孔孔成型制制程完成成，在過過孔形成成過程中中可能還還會重疊疊做好幾幾個內(nèi)層層。第三三種稱為為通孔，這種孔孔穿過整整個線路路板，可可用于實實現(xiàn)內(nèi)部部互連或或作為組組件的黏黏著定位位孔。采用分區(qū)區(qū)技巧在設(shè)計RRF電路路板時，應(yīng)盡可可能把高高功率RRF放大大器(HHPA)和低噪噪音放大大器(LLNA)隔離開開來。簡簡單的說說RF接，就是是讓高功功率RFF發(fā)射電電路遠(yuǎn)離離低功率率收電路路。如果果PCBB板上有有很多空空間，那那么可以以很容易易地做到到這一點點。但通通常零組組件很多多時，PPCB空空間就會會變的很很小，因因此這是是很難達(dá)達(dá)到的。可以把把它們放放在PCCB板的的兩面，或者

5、讓讓它們交交替工作作，而不不是同時時工作。高功率率電路有有時還可可包括RRF緩沖沖器(bbufffer)和壓控控振蕩器器(VCCO)。設(shè)計分區(qū)區(qū)可以分分成實體體分區(qū)(phyysiccal parrtittionningg)和電電氣分區(qū)區(qū)(Ellecttriccal parrtittionningg)。實實體分區(qū)區(qū)主要涉涉及零組組件布局局、方位位和屏蔽蔽等問題題；電氣氣分區(qū)可可以繼續(xù)續(xù)分成電電源分配配、RFF走線、敏感電電路和信信號、接接地等分分區(qū)。實體分區(qū)區(qū)零組件布布局是實實現(xiàn)一個個優(yōu)異RRF設(shè)計計的關(guān)鍵鍵，最有有效的技技術(shù)是首首先固定定位于RRF路徑徑上的零零組件，并調(diào)整整其方位位，使RRF

6、路徑徑的長度度減到最最小。并并使RFF輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)離RFF輸出，并盡可可能遠(yuǎn)離離高功率率電路和和低功率率電路。最有效的的電路板板堆棧方方法是將將主接地地安排在在表層下下的第二二層，并并盡可能能將RFF線走在在表層上上。將RRF路徑徑上的過過孔尺寸寸減到最最小不僅僅可以減減少路徑徑電感，而且還還可以減減少主接接地上的的虛焊點點，并可可減少RRF能量量泄漏到到層疊板板內(nèi)其它它區(qū)域的的機會。在實體空空間上，像多級級放大器器這樣的的線性電電路通常常足以將將多個RRF區(qū)之之間相互互隔離開開來，但但是雙工工器、混混頻器和和中頻放放大器總總是有多多個RFF/IFF信號相相互干擾擾，因此此必須小小心地將將這一影影

7、響減到到最小。RF與IF走線線應(yīng)盡可可能走十十字交叉叉，并盡盡可能在在它們之之間隔一一塊接地地面積。正確的的RF路徑徑對整塊塊PCBB板的性性能而言言非常重重要，這這也就是是為什么么零組件件布局通通常在行行動電話話PCBB板設(shè)計計中占大大部份時時間的原原因。在行動電電話PCCB板上上，通常?？梢詫⒌驮胍粢舴糯笃髌麟娐贩欧旁赑CCB板的的某一面面，而高高功率放放大器放放在另一一面，并并最終藉藉由雙工工器在同同一面上上將它們們連接到到RF天線線的一端端和基頻頻處理器器的另一一端。這這需要一一些技巧巧來確保保RF能量量不會藉藉由過孔孔，從板板的一面面?zhèn)鬟f到到另一面面，常用用的技術(shù)術(shù)是在兩兩面都使使

8、用盲孔孔。可以以藉由將將盲孔安安排在PPCB板板兩面都都不受RRF干擾擾的區(qū)域域，來將將過孔的的不利影影響減到到最小。金屬屏蔽蔽罩有時，不不太可能能在多個個電路區(qū)區(qū)塊之間間保留足足夠的區(qū)區(qū)隔，在在這種情情況下就就必須考考慮采用用金屬屏屏蔽罩將將射頻能能量屏蔽蔽在RFF區(qū)域內(nèi)內(nèi)，但金金屬屏蔽蔽罩也有有副作用用，例如如：制造造成本和和裝配成成本都很很高。外形不規(guī)規(guī)則的金金屬屏蔽蔽罩在制制造時很很難保證證高精密密度，長長方形或或正方形形金屬屏屏蔽罩又又使零組組件布局局受到一一些限制制；金屬屬屏蔽罩罩不利于于零組件件更換和和故障移移位；由由于金屬屬屏蔽罩罩必須焊焊在接地地面上，而且必必須與零零組件保保

9、持一個個適當(dāng)?shù)牡木嚯x，因此需需要占用用寶貴的的PCBB板空間間。盡可能保保證金屬屬屏蔽罩罩的完整整非常重重要，所所以進(jìn)入入金屬屏屏蔽罩的的數(shù)字信信號線應(yīng)應(yīng)該盡可可能走內(nèi)內(nèi)層，而而且最好好將信號號線路層層的下一一層設(shè)為為接地層層。RFF信號線線可以從從金屬屏屏蔽罩底底部的小小缺口和和接地缺缺口處的的布線層層走線出出去，不不過缺口口處周圍圍要盡可可能被廣廣大的接接地面積積包圍，不同信信號層上上的接地地可藉由由多個過過孔連在在一起。盡管有以以上的缺缺點，但但是金屬屬屏蔽罩罩仍然非非常有效效，而且且常常是是隔離關(guān)關(guān)鍵電路路的唯一一解決方方案。電源去耦耦電路此外，恰恰當(dāng)而有有效的芯芯片電源源去耦(dec

10、coupple)電路也也非常重重要。許許多整合合了線性性線路的的RF芯片片對電源源的噪音音非常敏敏感，通通常每個個芯片都都需要采采用高達(dá)達(dá)四個電電容和一一個隔離離電感來來濾除全全部的電電源噪音音。(圖一)圖一芯片電電源去耦耦電路最小電容容值通常常取決于于電容本本身的諧諧振頻率率和接腳腳電感，C4的值值就是據(jù)據(jù)此選擇擇的。CC3和C2的值值由于其其自身接接腳電感感的關(guān)系系而相對對比較大大，從而而RF去耦耦效果要要差一些些，不過過它們較較適合于于濾除較較低頻率率的噪音音信號。RF去耦耦則是由由電感LL1完成成的，它它使RFF信號無無法從電電源線耦耦合到芯芯片中。因為所所有的走走線都是是一條潛潛在的

11、既既可接收收也可發(fā)發(fā)射RFF信號的的天線，所以，將射頻頻信號與與關(guān)鍵線線路、零零組件隔隔離是必必須的。這些去耦耦組件的的實體位位置通常常也很關(guān)關(guān)鍵。這這幾個重重要組件件的布局局原則是是：C44要盡可可能靠近近IC接腳腳并接地地，C33必須最最靠近CC4，C2必須須最靠近近C3，而而且ICC接腳與與C4的連連接走線線要盡可可能短，這幾個個組件的的接地端端(尤其是是C4)通常應(yīng)應(yīng)當(dāng)藉由由板面下下第一個個接地層層與芯片片的接地地腳相連連。將組組件與接接地層相相連的過過孔應(yīng)該該盡可能能靠近PPCB板板上的組組件焊盤盤，最好好是使用用打在焊焊盤上的的盲孔將將連接線線電感減減到最小小，電感感L1應(yīng)該該靠近

12、CC1。一個集成成電路或或放大器器常常具具有一個個開集極極(oppen colllecctorr)輸出出，因此此需要一一個上拉拉電感(pulllupp innducctorr)來提提供一個個高阻抗抗RF負(fù)載載和一個個低阻抗抗直流電電源，同同樣的原原則也適適用于對對這一電電感的電電源端進(jìn)進(jìn)行去耦耦。有些些芯片需需要多個個電源才才能工作作，因此此可能需需要兩到到三套電電容和電電感來分分別對它它們進(jìn)行行去耦處處理，如如果該芯芯片周圍圍沒有足足夠的空空間，那那么去耦耦效果可可能不佳佳。尤其需要要特別注注意的是是:電感極極少平行行靠在一一起，因因為這將將形成一一個空芯芯變壓器器，并相相互感應(yīng)應(yīng)產(chǎn)生干干擾

13、信號號，因此此它們之之間的距距離至少少要相當(dāng)當(dāng)于其中中之一的的高度，或者成成直角排排列以使使其互感感減到最最小。電氣分區(qū)區(qū)電氣分區(qū)區(qū)原則上上與實體體分區(qū)相相同，但但還包含含一些其其它因素素。現(xiàn)代代行動電電話的某某些部份份采用不不同工作作電壓，并借助助軟件對對其進(jìn)行行控制，以延長長電池工工作壽命命。這意意味著行行動電話話需要運運行多種種電源，而這產(chǎn)產(chǎn)生更多多的隔離離問題。電源通通常由連連接線(connnecctorr)引入入，并立立即進(jìn)行行去耦處處理以濾濾除任何何來自電電路板外外部的噪噪音，然然后經(jīng)過過一組開開關(guān)或穩(wěn)穩(wěn)壓器，之后，進(jìn)行電電源分配配。在行動電電話里，大多數(shù)數(shù)電路的的直流電電流都相相

14、當(dāng)小，因此走走線寬度度通常不不是問題題，不過過，必須須為高功功率放大大器的電電源單獨獨設(shè)計出出一條盡盡可能寬寬的大電電流線路路，以使使發(fā)射時時的壓降降(vooltaage droop)能能減到最最低。為為了避免免太多電電流損耗耗，需要要利用多多個過孔孔將電流流從某一一層傳遞遞到另一一層。此此外，如如果不能能在高功功率放大大器的電電源接腳腳端對它它進(jìn)行充充分的去去耦，那那么高功功率噪音音將會輻輻射到整整塊電路路板上，并帶來來各種各各樣的問問題。高高功率放放大器的的接地相相當(dāng)重要要，并經(jīng)經(jīng)常需要要為其設(shè)設(shè)計一個個金屬屏屏蔽罩。RF輸出出必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)離RFF輸入在大多數(shù)數(shù)情況下下，必須須做到RRF輸出出

15、遠(yuǎn)離RRF輸入入。這原原則也適適用于放放大器、緩沖器器和濾波波器。在在最壞的的情況下下，如果果放大器器和緩沖沖器的輸輸出以適適當(dāng)?shù)南嘞辔缓驼裾穹答侌伒剿鼈儌兊妮斎肴攵耍悄敲此鼈儌兙陀锌煽赡墚a(chǎn)生生自激振振蕩。它它們可能能會變得得不穩(wěn)定定，并將將噪音和和互調(diào)相相乘信號號(innterrmoddulaatioon pprodductts)添添加到RRF信號號上。如果射頻頻信號線線從濾波波器的輸輸入端繞繞回輸出出端，這這可能會會嚴(yán)重?fù)p損害濾波波器的帶帶通特性性。為了了使輸入入和輸出出得到良良好的隔隔離，首首先在濾濾波器周周圍必須須是一塊塊主接地地面積，其次濾濾波器下下層區(qū)域域也必須須是一塊塊接地面

16、面積，并并且此接接地面積積必須與與圍繞濾濾波器的的主接地地連接起起來。把把需要穿穿過濾波波器的信信號線盡盡可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)離濾波波器接腳腳也是個個好方法法。此外外，整塊塊電路板板上各個個地方的的接地都都要十分分小心，否則可可能會在在不知不不覺中引引入一條條不希望望發(fā)生的的耦合信信道。(圖二)詳細(xì)說說明了這這一接地地辦法。有時可以以選擇走走單端(sinnglee-enndedd)或平平衡的RRF信號號線(bbalaanceed RRF ttracces)，有關(guān)關(guān)串音(croossttalkk)和EMCC/EMMI的原原則在這這里同樣樣適用。平衡RRF信號號線如果果走線正正確的話話，可以以減少噪噪音和串串

17、音，但但是它們們的阻抗抗通常比比較高。而且為為了得到到一個阻阻抗匹配配的信號號源、走走線和負(fù)負(fù)載，需需要保持持一個合合理的線線寬，這這在實際際布線時時可能會會有困難難。圖二濾波器器四周被被接地面面（綠色色區(qū)域）包圍緩沖器緩沖器可可以用來來提高隔隔離效果果，因為為它可把把同一個個信號分分為兩個個部份，并用于于驅(qū)動不不同的電電路。尤尤其是本本地振蕩蕩器可能能需要緩緩沖器來來驅(qū)動多多個混頻頻器。當(dāng)當(dāng)混頻器器在RFF頻率處處到達(dá)共共模隔離離(coommoon mmodee issolaatioon)狀狀態(tài)時，它將無無法正常常工作。緩沖器器可以很很好地隔隔離不同同頻率處處的阻抗抗變化，從而電電路之間間不

18、會相相互干擾擾。緩沖器對對設(shè)計的的幫助很很大，它它們可以以緊跟在在需要被被驅(qū)動電電路的后后面，從從而使高高功率輸輸出走線線非常短短，由于于緩沖器器的輸入入信號電電平比較較低，因因此它們們不易對對板上的的其它電電路造成成干擾。壓控振蕩蕩器壓控振蕩蕩器(VVCO)可將變變化的電電壓轉(zhuǎn)換換為變化化的頻率率，這一一特性被被用于高高速頻道道切換，但它們們同樣也也將控制制電壓上上的微量量噪音轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為微微小的頻頻率變化化，而這這就給RRF信號號增加了了噪音?？傊趬嚎乜卣袷幤髌魈幚磉^過以后，再也沒沒有辦法法從RFF輸出信信號中將將噪音去去掉。困困難在于于VCOO控制線線(coontrrol linne)的

19、的期望頻頻寬范圍圍可能從從DC到2MHHz，而而藉由濾濾波器來來去掉這這么寬的的頻帶噪噪音幾乎乎是不可可能的；其次，VCOO控制線線通常是是一個控控制頻率率的反饋饋回路的的一部份份，它在在很多地地方都有有可能引引入噪音音，因此此必須非非常小心心處理VVCO控控制線。諧振電路路諧振電路路(taank cirrcuiit)用用于發(fā)射射機和接接收機，它與VVCO有有關(guān)，但但也有它它自己的的特點。簡單地地說，諧諧振電路路是由一一連串具具有電感感電容的的二極管管并連而而成的諧諧振電路路，它有有助于設(shè)設(shè)定VCCO工作作頻率和和將語音音或數(shù)據(jù)據(jù)調(diào)變到到RF載波波上。所有VCCO的設(shè)設(shè)計原則則同樣適適用于諧諧

20、振電路路。由于于諧振電電路含有有數(shù)量相相當(dāng)多的的零組件件、占據(jù)據(jù)面積大大、通常常運行在在一個很很高的RRF頻率率下，因因此諧振振電路通通常對噪噪音非常常敏感。信號通通常排列列在芯片片的相鄰鄰接腳上上，但這這些信號號接腳又又需要與與較大的的電感和和電容配配合才能能工作，這反而而需要將將這些電電感和電電容的位位置盡量量靠近信信號接腳腳，并連連回到一一個對噪噪音很敏敏感的控控制環(huán)路路上，但但是又要要盡量避避免噪音音的干擾擾。要做做到這點點是不容容易的。自動增益益控制放放大器自動增益益控制(AGCC)放大大器同樣樣是一個個容易出出問題的的地方，不管是是發(fā)射還還是接收收電路都都會有AAGC放放大器。AG

21、CC放大器器通常能能有效地地濾掉噪噪音，不不過由于于行動電電話具備備處理發(fā)發(fā)射和接接收信號號強度快快速變化化的能力力，因此此要求AAGC電電路有一一個相當(dāng)當(dāng)大的頻頻寬，這這就使AAGC放放大器很很容易引引入噪音音。設(shè)計AGGC線路路必須遵遵守模擬擬電路的的設(shè)計原原則，亦亦即使用用很短的的輸入接接腳和很很短的反反饋路徑徑，而且且這兩處處都必須須遠(yuǎn)離RRF、IF或高高速數(shù)字字信號線線路。同同樣，良良好的接接地也必必不可少少，而且且芯片的的電源必必須得到到良好的的去耦。如果必必須在輸輸入或輸輸出端設(shè)設(shè)計一條條長的走走線，那那么最好好是選擇擇在輸出出端實現(xiàn)現(xiàn)它，因因為，通通常輸出出端的阻阻抗要比比輸入端端低得多多，而且且也不容容易引入入噪音。通常信信號電平平越高，就越容容易將噪噪音引入入到其它它電路中中。接地要確保RRF走線線下層的的接地是是實心的的，而且且所有的的零組件件都要牢牢固地連連接到主主接地上上，并與與其它可可能帶來來噪音的的走線隔隔離開來來。此外外，要確確保VCCO的電電源已得得到充分分去耦，由于VVCO的的RF輸出出往往是是一個相相當(dāng)高的的電平，VCOO輸出信信號很容容易干擾擾其它電電路，因因此必須須對VCCO加以以特別注注意。