手機PCB設計的RF布局技巧簡(jiǎn)述

手機功能的增加對PCB板的設計要求更高,伴隨著(zhù)一輪藍牙設備、蜂窩電話(huà)和3G時(shí)代來(lái)臨,使得工程師越來(lái)越關(guān)注RF電路的設計技巧。射頻(RF)電路板設計由于在理論上還有很多不確定性，因此常被形容為一種“黑色藝術(shù)”，但這個(gè)觀(guān)點(diǎn)只有部分正確，RF電路板設計也有許多可以遵循的準則和不應該被忽視的法則。不過(guò)，在實(shí)際設計時(shí)，真正實(shí)用的技巧是當這些準則和法則因各種設計約束而無(wú)法準確地實(shí)施時(shí)如何對它們進(jìn)行折衷處理。當然，有許多重要的RF設計課題值得討論，包括阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板以及波長(cháng)和駐波，所以這些對手機的EMC、EMI影響都很大，下面就對手機PCB板的在設計RF布局時(shí)必須滿(mǎn)足的條件加以總結：

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。手機功能比較多、元器件很多，但是PCB空間較小，同時(shí)考慮到布線(xiàn)的設計過(guò)程限定最高，所有的這一些對設計技巧的要求就比較高。這時(shí)候可能需要設計四層到六層PCB了，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緩沖器和壓控制振蕩器(VCO)。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，銅皮越多越好。敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數字信號和RF信號。

2 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、朝向和屏蔽等問(wèn)題；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 我們討論物理分區問(wèn)題。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，并調整其朝向以將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。
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)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 )。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。

3.2.2 RF與IF走線(xiàn)應盡可能走十字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對整塊PCB板的性能而言非常重要，這也就是為什么元器件布局通常在手機PCB板設計中占大部分時(shí)間的原因。在手機PCB板設計上，通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB板的某一面，而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。需要一些技巧來(lái)確保直通過(guò)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)是在兩面都使用盲孔?？梢酝ㄟ^(guò)將直通過(guò)孔安排在PCB板兩面都不受RF干擾的區域來(lái)將直通過(guò)孔的不利影響減到最小。有時(shí)不太可能在多個(gè)電路塊之間保證足夠的隔離，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區域內，金屬屏蔽罩必須焊在地上，必須與元器件保持一個(gè)適當距離，因此需要占用寶貴的PCB板空間。盡可能保證屏蔽罩的完整非常重要，進(jìn)入金屬屏蔽罩的數字信號線(xiàn)應該盡可能走內層，而且最好走線(xiàn)層的下面一層PCB是地層。RF信號線(xiàn)可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和地缺口處的布線(xiàn)層上走出去，不過(guò)缺口處周?chē)M可能地多布一些地，不同層上的地可通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連在一起。

3.2.3 恰當和有效的芯片電源去耦也非常重要。許多集成了線(xiàn)性線(xiàn)路的RF芯片對電源的噪音非常敏感，通常每個(gè)芯片都需要采用高達四個(gè)電容和一個(gè)隔離電感來(lái)確保濾除所有的電源噪音。一塊集成電路或放大器常常帶有一個(gè)開(kāi)漏極輸出，因此需要一個(gè)上拉電感來(lái)提供一個(gè)高阻抗RF負載和一個(gè)低阻抗直流電源，同樣的原則也適用于對這一電感端的電源進(jìn)行去耦。有些芯片需要多個(gè)電源才能工作，因此你可能需要兩到三套電容和電感來(lái)分別對它們進(jìn)行去耦處理，電感極少并行靠在一起，因為這將形成一個(gè)空芯變壓器并相互感應產(chǎn)生干擾信號，因此它們之間的距離至少要相當于其中一個(gè)器件的高度，或者成直角排列以將其互感減到最小。

3.2.4 電氣分區原則大體上與物理分區相同，但還包含一些其它因素。手機的某些部分采用不同工作電壓，并借助軟件對其進(jìn)行控制，以延長(cháng)電池工作壽命。這意味著(zhù)手機需要運行多種電源，而這給隔離帶來(lái)了更多的問(wèn)題。電源通常從連接器引入，并立即進(jìn)行去耦處理以濾除任何來(lái)自線(xiàn)路板外部的噪聲，然后再經(jīng)過(guò)一組開(kāi)關(guān)或穩壓器之后對其進(jìn)行分配。手機PCB板上大多數電路的直流電流都相當小，因此走線(xiàn)寬度通常不是問(wèn)題，不過(guò)，必須為高功率放大器的電源單獨走一條盡可能寬的大電流線(xiàn)，以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗，需要采用多個(gè)過(guò)孔來(lái)將電流從某一層傳遞到另一層。此外，如果不能在高功率放大器的電源引腳端對它進(jìn)行充分的去耦，那么高功率噪聲將會(huì )輻射到整塊板上，并帶來(lái)各種各樣的問(wèn)題。高功率放大器的接地相當關(guān)鍵，并經(jīng)常需要為其設計一個(gè)金屬屏蔽罩。在大多數情況下，同樣關(guān)鍵的是確保RF輸出遠離RF輸入。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞情況下，如果放大器和緩沖器的輸出以適當的相位和振幅反饋到它們的輸入端，那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。在最好情況下，它們將能在任何溫度和電壓條件下穩定地工作。實(shí)際上，它們可能會(huì )變得不穩定，并將噪音和互調信號添加到RF信號上。如果射頻信號線(xiàn)不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端，這可能會(huì )嚴重損害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出得到良好的隔離，首先必須在濾波器周?chē)家蝗Φ?，其次濾波器下層區域也要布一塊地，并與圍繞濾波器的主地連接起來(lái)。把需要穿過(guò)濾波器的信號線(xiàn)盡可能遠離濾波器引腳也是個(gè)好方法。
此外，整塊板上各個(gè)地方的接地都要十分小心，否則會(huì )在引入一條耦合通道。有時(shí)可以選擇走單端或平衡RF信號線(xiàn)，有關(guān)交叉干擾和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號線(xiàn)如果走線(xiàn)正確的話(huà)，可以減少噪聲和交叉干擾，但是它們的阻抗通常比較高，而且要保持一個(gè)合理的線(xiàn)寬以得到一個(gè)匹配信號源、走線(xiàn)和負載的阻抗，實(shí)際布線(xiàn)可能會(huì )有一些困難。緩沖器可以用來(lái)提高隔離效果，因為它可把同一個(gè)信號分為兩個(gè)部分，并用于驅動(dòng)不同的電路，特別是本振可能需要緩沖器來(lái)驅動(dòng)多個(gè)混頻器。當混頻器在RF頻率處到達共模隔離狀態(tài)時(shí)，它將無(wú)法正常工作。緩沖器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化，從而電路之間不會(huì )相互干擾。緩沖器對設計的幫助很大，它們可以緊跟在需要被驅動(dòng)電路的后面，從而使高功率輸出走線(xiàn)非常短，由于緩沖器的輸入信號電平比較低，因此它們不易對板上的其它電路造成干擾。壓控振蕩器(VCO)可將變化的電壓轉換為變化的頻率，這一特性被用于高速頻道切換，但它們同樣也將控制電壓上的微量噪聲轉換為微小的頻率變化，而這就給RF信號增加了噪聲。

3.2.5 要保證不增加噪聲必須從以下幾個(gè)方面考慮：首先，控制線(xiàn)的期望頻寬范圍可能從DC直到2MHz，而通過(guò)濾波來(lái)去掉這么寬頻帶的噪聲幾乎是不可能的；其次，VCO控制線(xiàn)通常是一個(gè)控制頻率的反饋回路的一部分，它在很多地方都有可能引入噪聲，因此必須非常小心處理VCO控制線(xiàn)。要確保RF走線(xiàn)下層的地是實(shí)心的，而且所有的元器件都牢固地連到主地上，并與其它可能帶來(lái)噪聲的走線(xiàn)隔離開(kāi)來(lái)。此外，要確保VCO的電源已得到充分去耦，由于VCO的RF輸出往往是一個(gè)相對較高的電平，VCO輸出信號很容易干擾其它電路，因此必須對VCO加以特別注意。事實(shí)上，VCO往往布放在RF區域的末端，有時(shí)它還需要一個(gè)金屬屏蔽罩。諧振電路(一個(gè)用于發(fā)射機，另一個(gè)用于接收機)與VCO有關(guān)，但也有它自己的特點(diǎn)。簡(jiǎn)單地講，諧振電路是一個(gè)帶有容性二極管的并行諧振電路，它有助于設置VCO工作頻率和將語(yǔ)音或數據調制到RF信號上。所有VCO的設計原則同樣適用于諧振電路。由于諧振電路含有數量相當多的元器件、板上分布區域較寬以及通常運行在一個(gè)很高的RF頻率下，因此諧振電路通常對噪聲非常敏感。信號通常排列在芯片的相鄰腳上，但這些信號引腳又需要與相對較大的電感和電容配合才能工作，這反過(guò)來(lái)要求這些電感和電容的位置必須靠得很近，并連回到一個(gè)對噪聲很敏感的控制環(huán)路上。要做到這點(diǎn)是不容易的。
自動(dòng)增益控制(AGC)放大器同樣是一個(gè)容易出問(wèn)題的地方，不管是發(fā)射還是接收電路都會(huì )有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲，不過(guò)由于手機具備處理發(fā)射和接收信號強度快速變化的能力，因此要求AGC電路有一個(gè)相當寬的帶寬，而這使某些關(guān)鍵電路上的AGC放大器很容易引入噪聲。設計AGC線(xiàn)路必須遵守良好的模擬電路設計技術(shù)，而這跟很短的運放輸入引腳和很短的反饋路徑有關(guān)，這兩處都必須遠離RF、IF或高速數字信號走線(xiàn)。同樣，良好的接地也必不可少，而且芯片的電源必須得到良好的去耦。如果必須要在輸入或輸出端走一根長(cháng)線(xiàn)，那么最好是在輸出端，通常輸出端的阻抗要低得多，而且也不容易感應噪聲。通常信號電平越高，就越容易把噪聲引入到其它電路。在所有PCB設計中，盡可能將數字電路遠離模擬電路是一條總的原則，它同樣也適用于RF PCB設計。公共模擬地和用于屏蔽和隔開(kāi)信號線(xiàn)的地通常是同等重要的，因此在設計早期階段，仔細的計劃、考慮周全的元器件布局和徹底的布局評估都非常重要，同樣應使RF線(xiàn)路遠離模擬線(xiàn)路和一些很關(guān)鍵的數字信號，所有的RF走線(xiàn)、焊盤(pán)和元件周?chē)鷳M可能多填接地銅皮，并盡可能與主地相連。如果RF走線(xiàn)必須穿過(guò)信號線(xiàn)，那么盡量在它們之間沿著(zhù)RF走線(xiàn)布一層與主地相連的地。如果不可能的話(huà)，一定要保證它們是十字交叉的，這可將容性耦合減到最小，同時(shí)盡可能在每根RF走線(xiàn)周?chē)嗖家恍┑?，并把它們連到主地。此外，將并行RF走線(xiàn)之間的距離減到最小可以將感性耦合減到最小。一個(gè)實(shí)心的整塊接地面直接放在表層下第一層時(shí)，隔離效果最好，盡管小心一點(diǎn)設計時(shí)其它的做法也管用。在PCB板的每一層，應布上盡可能多的地，并把它們連到主地面。盡可能把走線(xiàn)靠在一起以增加內部信號層和電源分配層的地塊數量，并適當調整走線(xiàn)以便你能將地連接過(guò)孔布置到表層上的隔離地塊。應當避免在PCB各層上生成游離地，因為它們會(huì )像一個(gè)小天線(xiàn)那樣拾取或注入噪音。在大多數情況下，如果你不能把它們連到主地，那么你最好把它們去掉。

3 在手機PCB板設計時(shí)，應對以下幾個(gè)方面給予極大的重視
3.3.1 電源、地線(xiàn)的處理
既使在整個(gè)PCB板中的布線(xiàn)完成得都很好，但由于電源、 地線(xiàn)的考慮不周到而引起的干擾，會(huì )使產(chǎn)品的性能下降，有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電、地線(xiàn)的布線(xiàn)要認真對待，把電、地線(xiàn)所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。對每個(gè)從事電子產(chǎn)品設計的工程人員來(lái)說(shuō)都明白地線(xiàn)與電源線(xiàn)之間噪音所產(chǎn)生的原因， 現只對降低式抑制噪音作以表述：
(1)、眾所周知的是在電源、地線(xiàn)之間加上去耦電容。
(2)、盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，它們的關(guān)系是：地線(xiàn)＞電源線(xiàn)＞信號線(xiàn)，通常信號線(xiàn)寬為：0.2～0.3mm,最經(jīng)細寬度可達0.05～0.07mm,電源線(xiàn)為1.2～2.5 mm。 對數字電路的PCB可用寬的地導線(xiàn)組成一個(gè)回路, 即構成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用(模擬電路的地不能這樣使用)
(3)、用大面積銅層作地線(xiàn)用,在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線(xiàn)用?；蚴亲龀啥鄬影?，電源，地線(xiàn)各占用一層。

3.3.2 數字電路與模擬電路的共地處理
現在有許多PCB不再是單一功能電路（數字或模擬電路），而是由數字電路和模擬電路混合構成的。因此在布線(xiàn)時(shí)就需要考慮它們之間互相干擾問(wèn)題，特別是地線(xiàn)上的噪音干擾。數字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線(xiàn)來(lái)說(shuō)，高頻的信號線(xiàn)盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線(xiàn)來(lái)說(shuō)，整人PCB對外界只有一個(gè)結點(diǎn)，所以必須在PCB內部進(jìn)行處理數、模共地的問(wèn)題，而在板內部數字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等）。數字地與模擬地有一點(diǎn)短接，請注意，只有一個(gè)連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的，這由系統設計來(lái)決定。3.3.3 信號線(xiàn)布在電（地）層上
在多層印制板布線(xiàn)時(shí)，由于在信號線(xiàn)層沒(méi)有布完的線(xiàn)剩下已經(jīng)不多，再多加層數就會(huì )造成浪費也會(huì )給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應增加了，為解決這個(gè)矛盾，可以考慮在電（地）層上進(jìn)行布線(xiàn)。首先應考慮用電源層，其次才是地層。因為最好是保留地層的完整性。