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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的五條標準

這五條標準雖然不是金科玉律，但在射頻pcb 的設計環(huán)節(jié)中是十分重要的。

• 1）小功率的RF的PCB設計中，主要使用標準的FR4材料（絕緣特性好、材質均勻、介電常數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，要保證反面是一個完整的地層，同時由于雙面板的厚度在1mm以上，使得地層和信號層之間的FR4介質較厚，為了使得RF信號線阻抗達到50歐，往往信號走線的寬度在2mm左右，使得板子的空間分布很難控制。對于四層板，一般情況下頂層只走RF信號線，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)的數字信號線（比如設定ADF4360系列PLL的clk、data、LE信號線。）第三層的電源最好不要做成一個連續(xù)的平面，而是讓各個RF器件的電源走線呈星型分布，最后接于一點。第三層RF器件的電源走線不要和底層的數字線有交叉。
  
  2）對于一個混合信號的PCB，RF部分和模擬部分應當遠離數字數字部分（這個距離通常在2cm以上，至少保證1cm），數字部分的接地應當與RF部分分隔開。嚴禁使用開關電源直接給RF部分供電。主要在于開關電源的紋波會將RF部分的信號調制。這種調制往往會嚴重破壞射頻信號，導致致命的結果。通常情況下，對于開關電源的輸出，可以經過大的扼流圈，以及π濾波器，再經過線性穩(wěn)壓的低噪音LDO（Micrel的MIC5207、MIC5265系列，對于高電壓，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，各個元件應當緊密的排布，確保各個元件之間的連線最短。對于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的分布串聯電感最小。對于板子上的各個RF器件的地（GND）引腳，包括電阻、電容、電感與地（GND）相接的引腳，應當在離引腳盡可能近的地方打過孔與地層（第二層）連通。
  
  4）在選擇在高頻環(huán)境下工作元器件時，盡可能使用表貼器件。這是因為表貼元件一般體積小，元件的引腳很短。這樣可以盡可能減少元件引腳和元件內部走線帶來的附加參數的影響。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，往往有一個以上的電源引腳，這個時候一定要注意在每個電源的引腳附近（1mm左右）設置單獨的去偶電容，容值在100nF左右。在電路板空間允許的情況下，建議每個引腳使用兩個去偶電容，容值分別為1nF和100nF。一般使用材質為X5R或者X7R的陶瓷電容。對于同一個RF有源器件，不同的電源引腳可能為這個器件（芯片）中不同的官能部分供電，而芯片中的各個官能部分可能工作在不同的頻率上。比如ADF4360有三個電源引腳，分別為片內的VCO、PFD以及數字部分供電。這三個部分實現了完全不同的功能，工作頻率也不一樣。一旦數字部分低頻率的噪音通過電源走線傳到了VCO部分，那么VCO輸出頻率則可能被這個噪音調制，出現難以消除的雜散。為了防止這樣的情況出現，在有源RF器件的每個官能部分的供電引腳除了使用單獨的去偶電容外，還必須經過一個電感磁珠（10uH左右）再連到一起。這種設計對于那些包含了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設計

PCB隨著通信技術的發(fā)展,手持無線射頻電路技術運用也越來越廣,如無線尋呼機、手機、無線PDA等.其中的射頻電路的性能指標直接影響整個產品的質量,對于這些掌上產品的一個最大特點就是小型化,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COB因而得到廣泛應用,元器件:包括SMT、SMC、裸片等,的相互干擾也就十分突出.電磁干擾信號如果處理不當,可能造成整個電路系統(tǒng)的無法正常工作,因此,如何防止和抑制電磁干擾,提高電磁兼容性,就成為設計射頻電路PCB時的一個非常重要的課題,同一電路,不同的PCB設計結構,則其性能指標會相差很大,本文討論采用Protel 99 SE 軟件進行掌上產品的射頻電路PCB設計時,如何才能最大限度地實現電路的性能指標,從而達到電磁兼容要求.

板材的選擇

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

設計流程

由于Protel 99 SE 軟件的使用與Protel 98 等軟件不同_因此首先簡要討論采用Protel 99 SE軟件進行PCB設計的流程

1. 
   ⑴ 由于Protel 99 SE采用的是工程(PROJECT)數據庫模式管理,在Protel 98下是隱含的,所以應先建立一個數據庫文件用于管理所設計的電路原理圖與PCB 版圖.
   ⑵ 原理圖的設計:為了可以實現網絡連接,在進行原理設計前對所用到的元器件都必須在元器件庫中存在,否則就在SCHLIB中做出所需的元器件并存入庫文件中;然后只需從元器件庫中調用所需的元器件根據所設計的電路圖進行連接即可.
   ⑶ 原理圖設計完成后,即可形成一個網絡表以備進行PCB設計時使用.
   ⑷ PCB的設計:
   ① PCB外形及尺寸的確定:根據所設計的PCB在產品的位置、空間的大小、形狀以及與其它部件的配合來確定PCB的外形與尺寸.
   ② 根據_N 的要求_在__ 上制作定位孔_視眼_參考點等;
   ③ 元器件的制作: 假如需要使用一些原先元器件庫中不存在的特殊元器件,則在布局之前需先進行元器件的制作.
   ④ 元器件制作完成后_就進行布局及布線,這兩部分在下面具體進行討論.
   ⑤ 以上過程完成后,就必須進行檢查,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題,電路原理的檢查可以人工檢查,也可以采用網絡自動檢查(原理圖形成的網絡與PCB形成的網絡進行比較即可);
   ⑥ 檢查無誤后,文件就需進行存檔,輸出網絡表.
   ⑸  元器件的布局
   由于SMT一般采用紅外爐再流焊來實現元器件的焊接,因而元器件的布局影響到焊點的質量,進而影響到產品的成品率,而對于射頻電路PCB設計而言,電磁兼容性要求每個電路模塊盡量不產生電磁輻射,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,這也直接關系到所設計電路的性能,因此在進行射頻電路PCB設計時除了要考慮普通PCB設計時的布局外,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其它電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力.根據經驗,對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,很大部分還取決于與CPU處理板間的相互影響,因此,在進行PCB設計時,合理布局顯得尤為重要,下面就討論射頻電路PCB的布局問題.

布局總的原則:

元器件應盡可能同一方向排列,通過選擇PCB 進入熔錫系統(tǒng)的方向來減少甚至避免焊接不良的現象,根據經驗元器件間最少要有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,元器件的間距應盡可能寬.對于雙面板一般應設計一面為SMT及STM元件,另一面則為分立元件.
布局中應注意:
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題(如元器件的方向等);
⑵ 因為掌上用品的體積都很小,元器件間排列很緊湊,因此對于體積較大的元器件,就必須考慮相互間的配合問題,所以必須優(yōu)先考慮,確定出相應的位置.
⑶ 認真分析電路結構,對電路進行分塊處理,如高頻放大電路,混頻電路及解調電路等,盡可能將強電信號和弱電信號分開,將數字信號電路和模擬信號電路分開,完成同一功能的電路應盡量安排在一定的范圍之內,從而減小信號環(huán)路面積,各部分電路的濾波網絡必須就近連接,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 根據單元電路在使用中對電磁兼容性敏感程度不同進行分組.對于電路中易受干擾的部分的元器件在布局時,還應盡量避開干擾源,比如來自數據處理板上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計,并且信號走線盡量粗細一致,有利于阻抗匹配.
對于射頻電路,信號線的走向、寬度、線間距的不合理設計,可能造成信號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,所以在設計射頻電路PCB時一定要綜合考慮,合理布線.
布線時,所有走線應遠離PCB 板的邊框2mmJ左右,以免PCB板制作時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,使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,以提高抗干擾能力.所布信號線應盡可能短,并盡量減少過孔數目,各元器件間的連線越短越好,以減少分布參數和相互間的電磁干擾,對于不相容的信號線應盡量相互遠離,而且盡量避免平行走線,而在正反兩面的信號線應相互垂直布線時在需要拐角的地方應以130度角為宜,避免拐直角.
布線時與焊盤直接相連的線條不宜太寬,走線應盡量離開不相連的元器件,以免短路,過孔不宜畫在元器件上,且應盡量遠離不相連的元器件,以免在生產中出現虛焊、連焊、短路等現象.
在射頻電路PCB設計中,電源線和地線的正確布線顯得尤其重要,合理的設計是克服電磁干擾的最重要的手段,PCB上相當多的干擾源是通過電源和地線產生的,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,當有電流流過地線時,就會在地線上產生電壓,從而產生地線環(huán)路電流,形成地線的環(huán)路干擾,當多個電路共用一段地線時,就會形成公共阻抗耦合,從而產生了所謂的地線噪聲,因此在射頻電路PCB設計中地線的布線應該做到.
⑴ 首先對電路進行分塊處理,射頻電路基本上可分成高頻放大、混頻、解調、本振等部分,在進行射頻電路PCB設計時,為各個電路模塊提供一個公共電位參考點即各模塊電路各自的地線,這樣信號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,由于只存在一個參考點,因此沒有公共阻抗耦合存在,從而也就沒有相互干擾問題;
⑵ 數字區(qū)與模擬區(qū)盡可能以地線進行隔離,并且數字地與模擬地要分離,最后接于電源地.
⑶ 在各部分電路內部的地線也要注意單點接地原則,盡量減小信號環(huán)路面積,并與相應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行隔離,防止相互之間的信號耦合效應.

結論

射頻電路PCB設計的關鍵在于,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計射頻電路PCB的保證,本文中所述的方法有利于提高射頻電路PCB的設計的可靠性,從而解決好電磁干擾問題,進而達到電磁兼容性.