避免ISM-RF產(chǎn)品中的PCB布局“缺陷”

引線(xiàn)耦合

如同電感排列方向會(huì )影響磁場(chǎng)耦合一樣，如果引線(xiàn)彼此過(guò)于靠近，也會(huì )影響耦合。這種布局問(wèn)題也會(huì )產(chǎn)生所謂的互感。RF電路最關(guān)心問(wèn)題之一即為系統敏感部件的走線(xiàn)，例如輸入匹配網(wǎng)絡(luò )、接收器的諧振槽路、發(fā)送器的天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )等。

返回電流通路須盡可能靠近主電流通道,將輻射磁場(chǎng)降至最小。這種布局有助于減小電流環(huán)路面積。返回電流的理想低阻通路通常是引線(xiàn)下方的接地區域—將環(huán)路面積有效限制在電介質(zhì)厚度乘以引線(xiàn)長(cháng)度的區域。但是，如果接地區域被分割開(kāi)，則會(huì )增大環(huán)路面積(圖3)。對于穿過(guò)分割區域的引線(xiàn)，返回電流將被強制通過(guò)高阻通路，大大提高了電流環(huán)路面積。這種布局還使電路引線(xiàn)更容易受互感的影響。

圖3. 完整的大面積接地有助于改善系統性能

對于一個(gè)實(shí)際電感，引線(xiàn)方向對磁場(chǎng)耦合的影響也很大。如果敏感電路的引線(xiàn)必須彼此靠近，最好將引線(xiàn)方向垂直排列，以降低耦合(圖4)。如果無(wú)法做到垂直排列，則可考慮使用保護線(xiàn)。關(guān)于保護線(xiàn)的設計，請參考以下接地與填充處理部分。

圖4. 類(lèi)似于圖1，表示可能存在的磁力線(xiàn)耦合。

綜上所述，布板時(shí)應遵循以下原則：

引線(xiàn)下方應保證完整接地。

敏感引線(xiàn)應垂直排列。

如果引線(xiàn)必須平行排列，須確保足夠的間距或采用保護線(xiàn)。

接地過(guò)孔

RF電路布局的主要問(wèn)題通常是電路的特征阻抗不理想，包括電路元件及其互聯(lián)。引線(xiàn)覆銅層較薄，則等效于電感線(xiàn)，并與鄰近的其它引線(xiàn)形成分布電容。引線(xiàn)穿過(guò)過(guò)孔時(shí)，也會(huì )表現出電感和電容特性。

過(guò)孔電容主要源于過(guò)孔焊盤(pán)側的覆銅與地層覆銅之間構成的電容，它們之間由一個(gè)相當小的圓環(huán)隔開(kāi)。另外一個(gè)影響源于金屬過(guò)孔本身的圓柱。寄生電容的影響一般較小，通常只會(huì )造成高速數字信號的邊沿變差(本文不對此加以討論)。

過(guò)孔的最大影響是相應的互聯(lián)方式所引起的寄生電感。因為RF PCB設計中，大多數金屬過(guò)孔尺寸與集總元件的尺寸相同，可利用簡(jiǎn)單的公式估算電路過(guò)孔的影響(圖5)：

式中，LVIA為過(guò)孔的集總電感;h為過(guò)孔高度，單位為英寸;d為過(guò)孔直徑，單位為英寸2。

圖5. PCB橫截面用于估算寄生影響的過(guò)孔結構

寄生電感往往對旁路電容的連接影響很大。理想的旁路電容在電源層與地層之間提供高頻短路，但是，非理想過(guò)孔則會(huì )影響地層和電源層之間的低感通路。典型的 PCB過(guò)孔(d = 10 mil、h = 62.5 mil)大約等效于一個(gè)1.34nH電感。給定ISM-RF產(chǎn)品的特定工作頻率，過(guò)孔會(huì )對敏感電路(例如，諧振槽路、濾波器以及匹配網(wǎng)絡(luò )等)造成不良影 響。

如果敏感電路共用過(guò)孔，例如π型網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)臂，則會(huì )產(chǎn)生其它問(wèn)題。例如，放置一個(gè)等效于集總電感的理想過(guò)孔，等效原理圖則與原電路設計有很大區別(圖6)。與共用電流通路的串擾一樣3，導致互感增大，加大串擾和饋通。

圖6. 理想架構與非理想架構比較，電路中存在潛在的“信號通路”。