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射頻pcb

射頻即Radio Frequency，縮寫為RF。射頻pcb常寫作RFpcb。RF表示可以輻射到空間的電磁頻率 ，頻率范圍從300KHz～30GHz之間。射頻簡(jiǎn)稱RF射頻就是射頻電流。它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。

RF PCB的五條標(biāo)準(zhǔn)

這五條標(biāo)準(zhǔn)雖然不是金科玉律，但在射頻pcb 的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中是十分重要的。

• 1）小功率的RF的PCB設(shè)計(jì)中，主要使用標(biāo)準(zhǔn)的FR4材料（絕緣特性好、材質(zhì)均勻、介電常數(shù)ε=4，10%）。主要使用4層~6層板，在成本非常敏感的情況下可以使用厚度在1mm以下的雙面板，要保證反面是一個(gè)完整的地層，同時(shí)由于雙面板的厚度在1mm以上，使得地層和信號(hào)層之間的FR4介質(zhì)較厚，為了使得RF信號(hào)線阻抗達(dá)到50歐，往往信號(hào)走線的寬度在2mm左右，使得板子的空間分布很難控制。對(duì)于四層板，一般情況下頂層只走RF信號(hào)線，第二層是完整的地，第三層是電源，底層一般走控制RF器件狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)線（比如設(shè)定ADF4360系列PLL的clk、data、LE信號(hào)線。）第三層的電源最好不要做成一個(gè)連續(xù)的平面，而是讓各個(gè)RF器件的電源走線呈星型分布，最后接于一點(diǎn)。第三層RF器件的電源走線不要和底層的數(shù)字線有交叉。
  
  2）對(duì)于一個(gè)混合信號(hào)的PCB，RF部分和模擬部分應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離數(shù)字?jǐn)?shù)字部分（這個(gè)距離通常在2cm以上，至少保證1cm），數(shù)字部分的接地應(yīng)當(dāng)與RF部分分隔開(kāi)。嚴(yán)禁使用開(kāi)關(guān)電源直接給RF部分供電。主要在于開(kāi)關(guān)電源的紋波會(huì)將RF部分的信號(hào)調(diào)制。這種調(diào)制往往會(huì)嚴(yán)重破壞射頻信號(hào)，導(dǎo)致致命的結(jié)果。通常情況下，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的輸出，可以經(jīng)過(guò)大的扼流圈，以及π濾波器，再經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓的低噪音LDO（Micrel的MIC5207、MIC5265系列，對(duì)于高電壓，大功率的RF電路，可以考慮使用 LM1085、LM1083等）得到供給RF電路的電源。
  
  3）RF的PCB中，各個(gè)元件應(yīng)當(dāng)緊密的排布，確保各個(gè)元件之間的連線最短。對(duì)于ADF4360-7的電路，在pin-9、pin-10引腳上的VCO電感與ADF4360芯片間的距離要盡可能的短，保證電感與芯片間的連線帶來(lái)的分布串聯(lián)電感最小。對(duì)于板子上的各個(gè)RF器件的地（GND）引腳，包括電阻、電容、電感與地（GND）相接的引腳，應(yīng)當(dāng)在離引腳盡可能近的地方打過(guò)孔與地層（第二層）連通。
  
  4）在選擇在高頻環(huán)境下工作元器件時(shí)，盡可能使用表貼器件。這是因?yàn)楸碣N元件一般體積小，元件的引腳很短。這樣可以盡可能減少元件引腳和元件內(nèi)部走線帶來(lái)的附加參數(shù)的影響。尤其是分立的電阻、電容、電感元件，使用較小的封裝（0603\0402）對(duì)提高電路的穩(wěn)定性、一致性是非常有幫助的；
  
  5）在高頻環(huán)境下工作的有源器件，往往有一個(gè)以上的電源引腳，這個(gè)時(shí)候一定要注意在每個(gè)電源的引腳附近（1mm左右）設(shè)置單獨(dú)的去偶電容，容值在100nF左右。在電路板空間允許的情況下，建議每個(gè)引腳使用兩個(gè)去偶電容，容值分別為1nF和100nF。一般使用材質(zhì)為X5R或者X7R的陶瓷電容。對(duì)于同一個(gè)RF有源器件，不同的電源引腳可能為這個(gè)器件（芯片）中不同的官能部分供電，而芯片中的各個(gè)官能部分可能工作在不同的頻率上。比如ADF4360有三個(gè)電源引腳，分別為片內(nèi)的VCO、PFD以及數(shù)字部分供電。這三個(gè)部分實(shí)現(xiàn)了完全不同的功能，工作頻率也不一樣。一旦數(shù)字部分低頻率的噪音通過(guò)電源走線傳到了VCO部分，那么VCO輸出頻率則可能被這個(gè)噪音調(diào)制，出現(xiàn)難以消除的雜散。為了防止這樣的情況出現(xiàn)，在有源RF器件的每個(gè)官能部分的供電引腳除了使用單獨(dú)的去偶電容外，還必須經(jīng)過(guò)一個(gè)電感磁珠（10uH左右）再連到一起。這種設(shè)計(jì)對(duì)于那些包含了LO緩沖放大和RF緩沖放大的有源混頻器LO-RF、LO-IF的隔離性能的提升是非常有利的。

RFpcb設(shè)計(jì)

PCB隨著通信技術(shù)的發(fā)展,手持無(wú)線射頻電路技術(shù)運(yùn)用也越來(lái)越廣,如無(wú)線尋呼機(jī)、手機(jī)、無(wú)線PDA等.其中的射頻電路的性能指標(biāo)直接影響整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量,對(duì)于這些掌上產(chǎn)品的一個(gè)最大特點(diǎn)就是小型化,而小型化也就意味著元器件的密度很大,表面貼裝工藝SMT和板載芯片技術(shù)COB因而得到廣泛應(yīng)用,元器件:包括SMT、SMC、裸片等,的相互干擾也就十分突出.電磁干擾信號(hào)如果處理不當(dāng),可能造成整個(gè)電路系統(tǒng)的無(wú)法正常工作,因此,如何防止和抑制電磁干擾,提高電磁兼容性,就成為設(shè)計(jì)射頻電路PCB時(shí)的一個(gè)非常重要的課題,同一電路,不同的PCB設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),則其性能指標(biāo)會(huì)相差很大,本文討論采用Protel 99 SE 軟件進(jìn)行掌上產(chǎn)品的射頻電路PCB設(shè)計(jì)時(shí),如何才能最大限度地實(shí)現(xiàn)電路的性能指標(biāo),從而達(dá)到電磁兼容要求.

板材的選擇

印制電路板的基材有有機(jī)類與無(wú)機(jī)類兩大類,而基材中最重要的性能是介電常數(shù)εr ,(影響電路的阻抗以及信號(hào)的傳輸速率)、耗散因子(或稱介質(zhì)損耗)tan  、 熱膨脹系數(shù)CET和吸濕率:其中___影響電路阻抗及信號(hào)傳輸速率_對(duì)于高頻電路_介電常數(shù)公差是首要考慮的更關(guān)鍵因素,應(yīng)選擇介電常數(shù)公差小的基材.

設(shè)計(jì)流程

由于Protel 99 SE 軟件的使用與Protel 98 等軟件不同_因此首先簡(jiǎn)要討論采用Protel 99 SE軟件進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的流程

1. 
   ⑴ 由于Protel 99 SE采用的是工程(PROJECT)數(shù)據(jù)庫(kù)模式管理,在Protel 98下是隱含的,所以應(yīng)先建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件用于管理所設(shè)計(jì)的電路原理圖與PCB 版圖.
   ⑵ 原理圖的設(shè)計(jì):為了可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接,在進(jìn)行原理設(shè)計(jì)前對(duì)所用到的元器件都必須在元器件庫(kù)中存在,否則就在SCHLIB中做出所需的元器件并存入庫(kù)文件中;然后只需從元器件庫(kù)中調(diào)用所需的元器件根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行連接即可.
   ⑶ 原理圖設(shè)計(jì)完成后,即可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)表以備進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)使用.
   ⑷ PCB的設(shè)計(jì):
   ① PCB外形及尺寸的確定:根據(jù)所設(shè)計(jì)的PCB在產(chǎn)品的位置、空間的大小、形狀以及與其它部件的配合來(lái)確定PCB的外形與尺寸.
   ② 根據(jù)_N 的要求_在__ 上制作定位孔_視眼_參考點(diǎn)等;
   ③ 元器件的制作: 假如需要使用一些原先元器件庫(kù)中不存在的特殊元器件,則在布局之前需先進(jìn)行元器件的制作.
   ④ 元器件制作完成后_就進(jìn)行布局及布線,這兩部分在下面具體進(jìn)行討論.
   ⑤ 以上過(guò)程完成后,就必須進(jìn)行檢查,這一方面包括電路原理的檢查,另一方面還必須檢查相互間的匹配及裝配問(wèn)題,電路原理的檢查可以人工檢查,也可以采用網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)檢查(原理圖形成的網(wǎng)絡(luò)與PCB形成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較即可);
   ⑥ 檢查無(wú)誤后,文件就需進(jìn)行存檔,輸出網(wǎng)絡(luò)表.
   ⑸  元器件的布局
   由于SMT一般采用紅外爐再流焊來(lái)實(shí)現(xiàn)元器件的焊接,因而元器件的布局影響到焊點(diǎn)的質(zhì)量,進(jìn)而影響到產(chǎn)品的成品率,而對(duì)于射頻電路PCB設(shè)計(jì)而言,電磁兼容性要求每個(gè)電路模塊盡量不產(chǎn)生電磁輻射,并且具有一定的抗電磁干擾能力.因此,元器件的布局還直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力,這也直接關(guān)系到所設(shè)計(jì)電路的性能,因此在進(jìn)行射頻電路PCB設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮普通PCB設(shè)計(jì)時(shí)的布局外,主要還需考慮如何減小射頻電路中各部分之間的相互干擾,如何減小電路本身對(duì)其它電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于射頻電路效果的好壞不僅取決于射頻電路板本身的性能指標(biāo),很大部分還取決于與CPU處理板間的相互影響,因此,在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí),合理布局顯得尤為重要,下面就討論射頻電路PCB的布局問(wèn)題.

布局總的原則:

元器件應(yīng)盡可能同一方向排列,通過(guò)選擇PCB 進(jìn)入熔錫系統(tǒng)的方向來(lái)減少甚至避免焊接不良的現(xiàn)象,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿足元器件的熔錫要求,若PCB板的空間允許,元器件的間距應(yīng)盡可能寬.對(duì)于雙面板一般應(yīng)設(shè)計(jì)一面為SMT及STM元件,另一面則為分立元件.
布局中應(yīng)注意:
⑴ 首先確定與其它PCB板或系統(tǒng)的接口元器件在PCB 板上的位置,必須注意接口元器件間的配合問(wèn)題(如元器件的方向等);
⑵ 因?yàn)檎粕嫌闷返捏w積都很小,元器件間排列很緊湊,因此對(duì)于體積較大的元器件,就必須考慮相互間的配合問(wèn)題,所以必須優(yōu)先考慮,確定出相應(yīng)的位置.
⑶ 認(rèn)真分析電路結(jié)構(gòu),對(duì)電路進(jìn)行分塊處理,如高頻放大電路,混頻電路及解調(diào)電路等,盡可能將強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)分開(kāi),將數(shù)字信號(hào)電路和模擬信號(hào)電路分開(kāi),完成同一功能的電路應(yīng)盡量安排在一定的范圍之內(nèi),從而減小信號(hào)環(huán)路面積,各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)必須就近連接,這樣不僅可以減小輻射,并且可以減少被干擾的幾率,提高電路的抗干擾能力.
⑷ 根據(jù)單元電路在使用中對(duì)電磁兼容性敏感程度不同進(jìn)行分組.對(duì)于電路中易受干擾的部分的元器件在布局時(shí),還應(yīng)盡量避開(kāi)干擾源,比如來(lái)自數(shù)據(jù)處理板上CPU 的干擾等.

布線

在基本完成元器件的布局后,就要開(kāi)始布線,布線的基本原則為:在組裝密度許可情況下,盡量選用低密度布線設(shè)計(jì),并且信號(hào)走線盡量粗細(xì)一致,有利于阻抗匹配.
對(duì)于射頻電路,信號(hào)線的走向、寬度、線間距的不合理設(shè)計(jì),可能造成信號(hào)傳輸線之間的交叉干擾;另外,系統(tǒng)電源自身還存在噪聲干擾,所以在設(shè)計(jì)射頻電路PCB時(shí)一定要綜合考慮,合理布線.
布線時(shí),所有走線應(yīng)遠(yuǎn)離PCB 板的邊框2mmJ左右,以免PCB板制作時(shí)造成斷線或有斷線的隱患.電源線要盡可能寬,以減少環(huán)路電阻,同時(shí),使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,以提高抗干擾能力.所布信號(hào)線應(yīng)盡可能短,并盡量減少過(guò)孔數(shù)目,各元器件間的連線越短越好,以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾,對(duì)于不相容的信號(hào)線應(yīng)盡量相互遠(yuǎn)離,而且盡量避免平行走線,而在正反兩面的信號(hào)線應(yīng)相互垂直布線時(shí)在需要拐角的地方應(yīng)以130度角為宜,避免拐直角.
布線時(shí)與焊盤直接相連的線條不宜太寬,走線應(yīng)盡量離開(kāi)不相連的元器件,以免短路,過(guò)孔不宜畫在元器件上,且應(yīng)盡量遠(yuǎn)離不相連的元器件,以免在生產(chǎn)中出現(xiàn)虛焊、連焊、短路等現(xiàn)象.
在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中,電源線和地線的正確布線顯得尤其重要,合理的設(shè)計(jì)是克服電磁干擾的最重要的手段,PCB上相當(dāng)多的干擾源是通過(guò)電源和地線產(chǎn)生的,其中地線引起的噪聲干擾最大.
地線容易形成電磁干擾的主要原因在于地線存在阻抗,當(dāng)有電流流過(guò)地線時(shí),就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓,從而產(chǎn)生地線環(huán)路電流,形成地線的環(huán)路干擾,當(dāng)多個(gè)電路共用一段地線時(shí),就會(huì)形成公共阻抗耦合,從而產(chǎn)生了所謂的地線噪聲,因此在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中地線的布線應(yīng)該做到.
⑴ 首先對(duì)電路進(jìn)行分塊處理,射頻電路基本上可分成高頻放大、混頻、解調(diào)、本振等部分,在進(jìn)行射頻電路PCB設(shè)計(jì)時(shí),為各個(gè)電路模塊提供一個(gè)公共電位參考點(diǎn)即各模塊電路各自的地線,這樣信號(hào)就可以在不同的電路模塊之間傳輸.然后匯總于射頻電路PCB接入地線的地方,即匯總于總地線,由于只存在一個(gè)參考點(diǎn),因此沒(méi)有公共阻抗耦合存在,從而也就沒(méi)有相互干擾問(wèn)題;
⑵ 數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)盡可能以地線進(jìn)行隔離,并且數(shù)字地與模擬地要分離,最后接于電源地.
⑶ 在各部分電路內(nèi)部的地線也要注意單點(diǎn)接地原則,盡量減小信號(hào)環(huán)路面積,并與相應(yīng)的濾波電路的地線就近相接.
⑷ 各模塊電路之間在空間允許的情況下最好能以地線進(jìn)行隔離,防止相互之間的信號(hào)耦合效應(yīng).

結(jié)論

射頻電路PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于,如何減少輻射能力以及如何提高抗干擾能力,合理的布局與布線則是設(shè)計(jì)射頻電路PCB的保證,本文中所述的方法有利于提高射頻電路PCB的設(shè)計(jì)的可靠性,從而解決好電磁干擾問(wèn)題,進(jìn)而達(dá)到電磁兼容性.