PCB設(shè)計(jì)中射頻RF問題和解決方案

      RF（射頻）PCB（印刷電路板）設(shè)計(jì)有很多不確定因素，因此被描述為“黑色藝術(shù)”。一般來說，當(dāng)涉及頻率低于微波的電路（包括低頻和低頻數(shù)字電路）時(shí)，精心布局是電路設(shè)計(jì)首次成功的保證，掌握了所有設(shè)計(jì)原則。然而，當(dāng)涉及到微波和高頻PC級數(shù)字電路的頻率時(shí)，兩到三個版本的PCB能夠確保電路質(zhì)量。然而，就射頻電路的頻率高于微波而言，需要更多版本的PCB設(shè)計(jì)來不斷改進(jìn)，因此，在RF電路設(shè)計(jì)期間肯定會遇到許多困難。

一、射頻電路設(shè)計(jì)中常見的問題
1、數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾
      當(dāng)模擬電路（RF電路）和數(shù)字電路獨(dú)立工作時(shí)，它們有可能完美地工作。但是，只要它們在同一電路板上混合在一起，并依賴相同的電源，整個系統(tǒng)可能會變得不穩(wěn)定，因?yàn)閿?shù)字信號經(jīng)常在地電源和正電源之間擺動（> 3V），周期很短納秒級。由于幅度更大，切換時(shí)間更短，所有數(shù)字信號都將包含與開關(guān)頻率無關(guān)的高頻元件。

      在模擬部分，從無線電調(diào)諧環(huán)路到無線電設(shè)備接收器的電壓通常小于1μV，因此，無線電調(diào)諧環(huán)和RF信號之間的差異可以達(dá)到120dB。顯然，如果數(shù)字信號和射頻信號不能整齊地分開，弱RF信號可能會受到損壞。結(jié)果，無線電設(shè)備的可操作性將變差或甚至無法工作。

2、電源噪聲干擾
      射頻電路對噪聲非常敏感，對于毛刺電壓和其他高頻諧波尤其如此，微控制器將在每個內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)突然吸收大部分電流，這是因?yàn)樗鞋F(xiàn)代微控制器都是采用CMOS技術(shù)制造的。因此，假設(shè)微控制器以1MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行，然后它將以這樣的頻率從電源提取電流，如果不采用合適的電源去耦，電源線上會產(chǎn)生電壓干擾。當(dāng)電壓毛刺到達(dá)RF電路的電源引腳時(shí)，如果嚴(yán)重則可能導(dǎo)致故障。

3、不合理的GND
      如果為RF電路設(shè)置了不合理的GND，則可能會產(chǎn)生一些奇怪的結(jié)果，在數(shù)字電路設(shè)計(jì)方面，即使GND不可用，大多數(shù)數(shù)字電路功能都能很好地實(shí)現(xiàn)。然而，就RF而言，即使是短的地線也將起到與電感器相同的作用，眾所周知，1nH的電感與1mm的長度兼容，基于此可以粗略地判斷出長度為10mm的PCB的感抗應(yīng)約為27Ω，如果不施加GND，大多數(shù)地線將會很長，以至于電路無法根據(jù)設(shè)計(jì)提供特性。

4、天線對其他模擬電路的輻射干擾
      在PCB布局設(shè)計(jì)中，板上還提供其他模擬電路。例如，許多電路包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。由RF發(fā)送器發(fā)送的高頻信號可能到達(dá)ADC的模擬輸入端，因?yàn)槿魏坞娐肪€都會像天線一樣發(fā)送或接收RF信號。如果ADC的輸入端不適當(dāng)處理，RF信號可能會在ADC輸入的ESD二極管內(nèi)自激，從而引起ADC偏差。

二、射頻RF電路設(shè)計(jì)原理與方案
1、RF布局的定義
設(shè)計(jì)射頻布局時(shí)，應(yīng)首先遵循以下一般原則：
①應(yīng)盡可能分離高功率放大器（HPAs）和低噪聲放大器（LNA）。簡而言之，高頻RF傳輸電路遠(yuǎn)離低頻RF接收電路。
②在PCB板上的高頻區(qū)域應(yīng)至少有一個完整的接地，好不要在其上發(fā)生通孔。銅箔面積越大越好。
③電路和電源經(jīng)過去耦同等重要。
④射頻輸出應(yīng)遠(yuǎn)離射頻輸入。
⑤敏感的模擬信號應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號和射頻信號。

2、物理分區(qū)和電氣分區(qū)的設(shè)計(jì)原則
      分區(qū)可以分為物理分區(qū)和電分區(qū)，前者主要涉及元件布局，方向和屏蔽，而后者可進(jìn)一步分為功率分布，RF布線，敏感電路，信號和地面分區(qū)。

a、物理分區(qū)原則
      元件布局在有助于良好執(zhí)行的RF設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。有效的技術(shù)是首先修復(fù)沿RF路徑放置的組件并修改其方向，以便在遠(yuǎn)離輸出的輸入和盡可能分離的高功率電路和低功率電路的情況下小化RF路徑。

b、PCB層壓設(shè)計(jì)原理
       有效的電路層壓方法是將主接地平面布置在平面下方的第二層處并且在平面處布置RF跡線。RF路徑上的通孔尺寸應(yīng)減小到小，這可以減少路徑電感并減少主接地上的冷焊點(diǎn)數(shù)量。此外，較少的RF能量將泄漏到層壓內(nèi)的其他區(qū)域。

c、射頻元件和射頻跟蹤原理。
      在物理空間內(nèi)，諸如多級放大器的線性電路能夠分離所有RF區(qū)域，但是雙工器，混頻器和中頻放大器/混頻器經(jīng)常導(dǎo)致多個RF / IF信號之間的相互干擾。因此，應(yīng)該小心地減少這種影響。應(yīng)穿過RF / IF走線，并在它們之間留下接地。正確的射頻路徑對于PCB性能非常重要，這就是為什么元件布局在手機(jī)PCB設(shè)計(jì)中占大部分時(shí)間的原因。

d、電氣分區(qū)原理
      大多數(shù)手機(jī)電路中的DC通常很低，因此不需要仔細(xì)考慮走線寬度。然而，必須為高功率放大器的電源獨(dú)立設(shè)計(jì)寬度盡可能寬的大電流跡線，以便將傳輸電壓降至小。為避免過多的電流損失，應(yīng)使用多個通孔將電流從一個平面?zhèn)鬏數(shù)搅硪粋€平面。

      大功率器件的功率去耦，如果在大功率放大器的電源引腳處無法實(shí)現(xiàn)完全耦合，則會產(chǎn)生很多問題，大功率噪聲將輻射到整個電路板。大功率放大器接地非常重要，設(shè)計(jì)時(shí)通常需要金屬屏蔽罩。

e、RF輸入/輸出隔離原理
      對于大多數(shù)情況，保證RF輸出遠(yuǎn)離RF輸入同樣重要，RF輸入也適用于放大器，保險(xiǎn)杠和濾波器。在更糟糕的情況下，如果放大器和緩沖器的輸入以可接受的相位和幅度返回到它們的輸入端子，則可能引起自激振動。在好的情況下，它們將能夠在任何溫度和電壓下穩(wěn)定工作。事實(shí)上，它們可能變得不穩(wěn)定并且向RF信號添加噪聲和互調(diào)信號。

      總而言之，RF電路由于其分布式參數(shù)電路而具有趨膚效應(yīng)和耦合效應(yīng)，這使其與低頻電路和DC不同，因此，在RF電路PCB設(shè)計(jì)期間應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)上述問題，以便電路設(shè)計(jì)可以有效和準(zhǔn)確。

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