RF射頻電路設計問(wèn)題分析

1 引言
　　射頻(RF)PCB設計，在目前公開(kāi)出版的理論上具有很多不確定性，常被形容為一種“黑色藝術(shù)”。通常情況下，對于微波以下頻段的電路(包括低頻和低頻數字電路)，在全面掌握各類(lèi)設計原則前提下的仔細規劃是一次性成功設計的保證。對于微波以上頻段和高頻的PC類(lèi)數字電路。則需要2~3個(gè)版本的PCB方能保證電路品質(zhì)。而對于微波以上頻段的RF電路．則往往需要更多版本的：PCB設計并不斷完善，而且是在具備相當經(jīng)驗的前提下。由此可知RF電設計上的困難。

2 RF電路設計的常見(jiàn)問(wèn)題

2．1 數字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾
　　如果模擬電路(射頻)和數字電路單獨工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個(gè)電源一起工作，整個(gè)系統很可能就不穩定。這主要是因為數字信號頻繁地在地和正電源(>3 V)之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是納秒級的。由于較大的振幅和較短的切換時(shí)間。使得這些數字信號包含大量且獨立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無(wú)線(xiàn)調諧回路傳到無(wú)線(xiàn)設備接收部分的信號一般小于lμV。因此數字信號與射頻信號之間的差別會(huì )達到120 dB。顯然．如果不能使數字信號與射頻信號很好地分離。微弱的射頻信號可能遭到破壞,這樣一來(lái)，無(wú)線(xiàn)設備工作性能就會(huì )惡化，甚至完全不能工作。
2．2 供電電源的噪聲干擾
　　射頻電路對于電源噪聲相當敏感,尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會(huì )在每個(gè)內部時(shí)鐘周期內短時(shí)間突然吸人大部分電流,這是由于現代微控制器都采用CMOS工藝制造。因此。假設一個(gè)微控制器以lMHz的內部時(shí)鐘頻率運行，它將以此頻率從電源提取電流。如果不采取合適的電源去耦．必將引起電源線(xiàn)上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達電路RF部分的電源引腳,嚴重時(shí)可能導致工作失效。
2．3 不合理的地線(xiàn)
　　如果RF電路的地線(xiàn)處理不當,可能產(chǎn)生一些奇怪的現象。對于數字電路設計,即使沒(méi)有地線(xiàn)層,大多數數字電路功能也表現良好。而在RF頻段，即使一根很短的地線(xiàn)也會(huì )如電感器一樣作用。粗略地計算,每毫米長(cháng)度的電感量約為l nH,433 MHz時(shí)10 toni PCB線(xiàn)路的感抗約27Ω。如果不采用地線(xiàn)層，大多數地線(xiàn)將會(huì )較長(cháng)，電路將無(wú)法具有設計的特性。
2．4 天線(xiàn)對其他模擬電路部分的輻射干擾
　　在PCB電路設計中，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模，數轉換(ADC)或數／模轉換器(DAC)。射頻發(fā)送器的天線(xiàn)發(fā)出的高頻信號可能會(huì )到達ADC的模擬輸入端。因為任何電路線(xiàn)路都可能如天線(xiàn)一樣發(fā)出或接收RF信號。如果ADC輸入端的處理不合理，RF信號可能在A(yíng)DC輸入的ESD二極管內自激。從而引起ADC偏差。

3 RF電路設計原則及方案

3．1 RF布局概念
　　在設計RF布局時(shí),必須優(yōu)先滿(mǎn)足以下幾個(gè)總原則：
　　
　　(1)盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開(kāi)來(lái)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是讓高功率RF發(fā)射電路遠離低功率RF接收電路：
　　(2)確保PCB板上高功率區至少有一整塊地，最好上面沒(méi)有過(guò)孔，當然，銅箔面積越大越好；
　　(3)電路和電源去耦同樣也極為重要；
　　(4)RF輸出通常需要遠離RF輸入；
　　(5)敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數字信號和RF信號。
3．2 物理分區和電氣分區設計原則
　　設計分區可以分解為物理分區和電氣分區。物理分區主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等；電氣分區可以繼續分解為電源分配、RF走線(xiàn)、敏感電路和信號以及接地等的分區。
3．2．1 物理分區原則
　　(1)元器件位置布局原則。元器件布局是實(shí)現一個(gè)優(yōu)秀RF設計的關(guān)鍵．最有效的技術(shù)是首先固定位于RF路徑上的元器件并調整其方向,以便將RF路徑的長(cháng)度減到最小,使輸入遠離輸出。并盡可能遠地分離高功率電路和低功率電路。
　　(2)PCB堆疊設計原則。最有效的電路板堆疊方法是將主接地面(主地)安排在表層下的第二層，并盡可能將RF線(xiàn)布置在表層上。將RF路徑上的過(guò)孔尺寸減到最小,這不僅可以減少路徑電感,而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn),并可減少RF能量泄漏到層疊板內其他區域的機會(huì )。
　　(3)射頻器件及其RF布線(xiàn)布局原則。在物理空間上,像多級放大器這樣的線(xiàn)性電路通常足以將多個(gè)RF區之間相互隔離開(kāi)來(lái)，但是雙工器、混頻器和中頻放大器／混頻器總是有多個(gè)RF／IF信號相互干擾．因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與IF跡線(xiàn)應盡可能十字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對整塊PCB的性能非常重要，這就是元器件布局通常在蜂窩電話(huà)PCB設計中占大部分時(shí)間的原因。
　　(4)降低高/低功率器件干擾耦合的設計原則。在蜂窩電話(huà)PCB上,通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB的某一面,而將高功率放大器放在另一面,并最終通過(guò)雙工器把它們在同一面上連接到RF端和基帶處理器端的天線(xiàn)上。要用技巧來(lái)確保通孔不會(huì )把RF能量從板的一面傳遞到另一面，常用的技術(shù)是在二面都使用盲孔?？梢酝ㄟ^(guò)將通孔安排在PCB板二面都不受RF干擾的區域來(lái)將通孔的不利影響減到最小。