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詳解射頻電路板設(shè)計(jì)的幾個(gè)要點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間:2019-03-27 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】射頻(RF)電路板設(shè)計(jì)雖然在理論上還有很多不確定性,但RF電路板設(shè)計(jì)還是有許多可以遵循的法則。不過(guò),在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),真正實(shí)用的技巧是當(dāng)這些法則因各種限制而無(wú)法實(shí)施時(shí),如何對(duì)它們進(jìn)行折衷處理,本文將集中探討與RF電路板分區(qū)設(shè)計(jì)有關(guān)的各種問(wèn)題。
 
射頻(RF)電路板設(shè)計(jì)雖然在理論上還有很多不確定性,但RF電路板設(shè)計(jì)還是有許多可以遵循的法則。不過(guò),在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),真正實(shí)用的技巧是當(dāng)這些法則因各種限制而無(wú)法實(shí)施時(shí),如何對(duì)它們進(jìn)行折衷處理,本文將集中探討與RF電路板分區(qū)設(shè)計(jì)有關(guān)的各種問(wèn)題。
 
詳解射頻電路板設(shè)計(jì)的幾個(gè)要點(diǎn)
 
微過(guò)孔的種類
電路板上不同性質(zhì)的電路必須分隔,但是又要在不產(chǎn)生電磁干擾的最佳情況下連接,這就需要用到微過(guò)孔(microvia)。通常微過(guò)孔直徑為0.05mm~0.20mm,這些過(guò)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(nèi)層線路的連接,孔的深度通常不超過(guò)一定的比率(孔徑)。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型制程完成,在過(guò)孔形成過(guò)程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。第三種稱為通孔,這種孔穿過(guò)整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為組件的黏著定位孔。
 
采用分區(qū)技巧
在設(shè)計(jì)RF電路板時(shí),應(yīng)盡可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開(kāi)來(lái),簡(jiǎn)單的說(shuō),就是讓高功率RF發(fā)射電路遠(yuǎn)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(diǎn)。但通常零組件很多時(shí),PCB制造空間就會(huì)變的很小,因此這是很難達(dá)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(shí)工作。高功率電路有時(shí)還可包括RF緩沖器(buffer)和壓控振蕩器(VCO)。
 
設(shè)計(jì)分區(qū)可以分成實(shí)體分區(qū)(physical partitioning)和電氣分區(qū)(Electrical partitioning)。實(shí)體分區(qū)主要涉及零組件布局、方位和屏蔽等問(wèn)題;電氣分區(qū)可以繼續(xù)分成電源分配、RF走線、敏感電路和信號(hào)、接地等分區(qū)。
 
實(shí)體分區(qū)
零組件布局是實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)異RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,最有效的技術(shù)是首先固定位于RF路徑上的零組件,并調(diào)整其方位,使RF路徑的長(zhǎng)度減到最小。并使RF輸入遠(yuǎn)離RF輸出,并盡可能遠(yuǎn)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(guò)孔尺寸減到最小不僅可以減少路徑電感,而且還可以減少主接地上的虛焊點(diǎn),并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其它區(qū)域的機(jī)會(huì)。
 
在實(shí)體空間上,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走線應(yīng)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(duì)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(dòng)電話PCB板設(shè)計(jì)中占大部份時(shí)間的原因。
 
在移動(dòng)電話PCB板上,通??梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB打樣板的某一面,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(lái)確保RF能量不會(huì)藉由過(guò)孔,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。可以藉由將盲孔安排在PCB板兩面都不受RF干擾的區(qū)域,來(lái)將過(guò)孔的不利影響減到最小。
 
金屬屏蔽罩
有時(shí),不太可能在多個(gè)電路區(qū)塊之間保留足夠的區(qū)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(qū)域內(nèi),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(guī)則的金屬屏蔽罩在制造時(shí)很難保證高精密度,長(zhǎng)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(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x,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(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,而且最好將信號(hào)線路層的下一層設(shè)為接地層。RF信號(hào)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(guò)缺口處周圍要盡可能被廣大的接地面積包圍,不同信號(hào)層上的接地可藉由多個(gè)過(guò)孔連在起。 盡管有以上的缺點(diǎn),但是金屬屏蔽罩仍然非常有效,而且常常是隔離關(guān)鍵電路的唯一解決方案。
 
電源去耦電路
恰當(dāng)而有效的芯片電源去耦(decouple)電路也非常重要。許多整合了線性線路的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)濾除全部的電源噪音。
 
最小電容值通常取決于電容本身的諧振頻率和接腳電感,C4的值就是據(jù)此選擇的。C3和C2的值由于其自身接腳電感的關(guān)系而相對(duì)比較大,從而RF去耦效果要差一些,不過(guò)它們較適合于濾除較低頻率的噪音信號(hào)。RF去耦則是由電感L1完成的,它使RF信號(hào)無(wú)法從電源線耦合到芯片中。因?yàn)樗械淖呔€都是一條潛在的既可接收也可發(fā)射RF信號(hào)的天線,所以,將射頻信號(hào)與關(guān)鍵線路、零組件隔離是必須的。
 
這些去耦組件的實(shí)體位置通常也很關(guān)鍵。這幾個(gè)重要組件的布局原則是:C4要盡可能靠近IC接腳并接地,C3必須最靠近C4,C2必須最靠近C3,而且IC接腳與C4的連接走線要盡可能短,這幾個(gè)組件的接地端(尤其是C4)通常應(yīng)當(dāng)藉由板面下第一個(gè)接地層與芯片的接地腳相連。將組件與接地層相連的過(guò)孔應(yīng)該盡可能靠近PCB板上的組件焊盤,最好是使用打在焊盤上的盲孔將連接線電感減到最小,電感L1應(yīng)該靠近C1。
 
一個(gè)集成電路或放大器常常具有一個(gè)集電極開(kāi)路輸出(open collector),因此需要一個(gè)上拉電感(pullup inductor)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)這一電感的電源端進(jìn)行去耦。有些芯片需要多個(gè)電源才能工作,因此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,如果該芯片周圍沒(méi)有足夠的空間,那么去耦效果可能不佳。尤其需要特別注意的是:電感極少平行靠在一起,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)于其中之一的高度,或者成直角排列以使其互感減到最小。
 
 
 
 
 
 
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