RF與數模電路的PCB設計之魅
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手持無(wú)線(xiàn)通信設備和遙控設備的普及推動(dòng)著(zhù)對模擬、數字和RF混合設計需求的顯著(zhù)增長(cháng)。手持設備、基站、遙控裝置、藍牙設備、計算機無(wú)線(xiàn)通信功能、眾多消費電器以及軍事/航空航天系統現需要采用RF技術(shù)。
數年來(lái)，RF設計需要專(zhuān)業(yè)設計人員使用專(zhuān)門(mén)的設計和分析工具來(lái)完成。典型情況下，PCB的RF部分由RF專(zhuān)業(yè)人員在獨立環(huán)境下設計好后，再與混合技術(shù) PCB的其余部分合并在一起的。這一過(guò)程的效率很低，而且為了與混合技術(shù)整合在一起，常常需要反復設計，還需要用到多個(gè)互不相關(guān)的數據庫。
在過(guò)去，設計功能在兩個(gè)設計環(huán)境進(jìn)行和重復，并通過(guò)一個(gè)非智能的ASCII接口連接（圖1（a））。兩個(gè)環(huán)境中的PCB系統設計和RF專(zhuān)門(mén)設計系統有它們自己的庫、RF設計數據庫和設計存檔。這就要求兩個(gè)環(huán)境中的設計數據（原理圖和版圖）和庫通過(guò)一個(gè)繁瑣的ASCII接口進(jìn)行管理和同步。
在這一舊的方法下，RF設計師孤立于PCB系統設計中的其他部分進(jìn)行RF電路的開(kāi)發(fā)。然后該RF電路再利用ASCII文件翻譯到總體PCB設計中，從而在主PCB上創(chuàng )建出原理圖和物理實(shí)現。如果RF電路存在問(wèn)題，那么設計必須在獨立的RF解決方案中修正，然后再重新翻譯進(jìn)主PCB。
RF模擬器只模擬了理想的射頻電路。在實(shí)際混合系統實(shí)現中有許多零碎的地層、地過(guò)空和相鄰的RF電路，這使得分析變得非常的困難，而且誰(shuí)都知道這些附加的形狀將會(huì )對RF電路運作產(chǎn)生長(cháng)久的影響。
這一舊方法多年來(lái)已成功地用于混合信號電路板設計，但隨著(zhù)產(chǎn)品中RF電路含量的增加，兩個(gè)獨立設計系統帶來(lái)的問(wèn)題已開(kāi)始影響設計師的生產(chǎn)力、產(chǎn)品上市時(shí)間和產(chǎn)品的質(zhì)量。
為了解決這些問(wèn)題，Mentor Graphics公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)，它可以將PCB原理圖和版圖工具與RF設計和模擬工具集成在一起，從而產(chǎn)生了一種新的解決方案，它可以克服傳統的射頻設計的缺點(diǎn)。
RF感知（RF aware）PCB設計
為保持PCB和RF設計間的設計意圖，RF設計工具必須理解PCB布局中面向層（layer-oriented）的結構，而PCB系統也必須理解RF設計環(huán)境中使用的參數化平面微波元件。
另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，PCB系統將RF電路的版圖構建成短路電路，這妨礙了對設計進(jìn)行正確的設計規則檢驗（DRC）。對當今的復雜RF系統設計來(lái)說(shuō)，功能上的RF感知DRC是設計方法學(xué)確保設計正確所必須的。
所有這些都對保持設計意圖有幫助。保持設計意圖非常關(guān)鍵，因為它是實(shí)現在工具集間設計數據的多次往返而不丟失信息的基礎。
RF設計是個(gè)反復的過(guò)程，需要采取很多步驟對設計進(jìn)行調整和優(yōu)化。過(guò)去，在真實(shí)的PCB設計背景下，進(jìn)行RF設計非常困難。當當在PCB上實(shí)現經(jīng)過(guò)優(yōu)化的RF模塊時(shí)，仍無(wú)法保證它仍工作在最佳狀態(tài)。作為一種驗證，需要對PCB實(shí)現進(jìn)行電磁場(chǎng)分析（EM）。
這個(gè)設計流程存在好幾個(gè)問(wèn)題。首先，電路被當作簡(jiǎn)單的金屬層幾何圖形進(jìn)行模擬，所以RF工具無(wú)法對金屬層進(jìn)行修改，無(wú)法把經(jīng)優(yōu)化的結果回送至PCB設計后仍擁有一個(gè)良好的RF電路。其次，EM方案很耗時(shí)。
在新流程中，因為PCB工具和RF工具對設計意圖有共識，所以電路可在工具集間傳來(lái)送去而不會(huì )丟失設計意圖。這意味著(zhù)電路模擬（速度很快）和EM分析（當需要時(shí)）可重復進(jìn)行，且可對每次電路修改的結果進(jìn)行比對。這一切是在真實(shí)PCB環(huán)境中完成的，包含了地平面、RF電路的版圖、導線(xiàn)、過(guò)孔及其它元件。
RF PCB設計瓶頸
RF PCB設計瓶頸主要有以下幾個(gè)。第一，由于PCB板上的每個(gè)RF模塊可能已經(jīng)被一個(gè)獨立的RF設計小組設計出來(lái)，以及每個(gè)模塊可以獨立進(jìn)行升級、演變和重利用，因此將整個(gè)電路作為一個(gè)整體來(lái)管理就變得至關(guān)重要，但在任何時(shí)候仍然把這些模塊作為單獨的電路元件進(jìn)行存取。為了解決這個(gè)問(wèn)題，原理圖和版圖工具必須擴展，以支持分層分組電路。通過(guò)這一方法，即使一個(gè)RF電路已經(jīng)在PCB上布好，它仍然可以作為一個(gè)RF電路與其它模塊放在一起，并可以連接到適當的 RF設計小組進(jìn)行分析。
下一個(gè)障礙是如何設計地平面。在傳統的設計流程中，采用RF金屬來(lái)作為一個(gè)黑箱金屬塊，與地的間隔是手工完成的，因為過(guò)空要經(jīng)過(guò)每一個(gè)地層。當RF電路更新后（這是一個(gè)頻繁的操作），裁掉的部分就必須手動(dòng)修改以對應新的電路。對某些設計來(lái)說(shuō)，僅這一編輯過(guò)程可能就要花幾周的時(shí)間。
新的綜合設計流程
RF設計工具和PCB設計工具之間的綜合一直以ASCII IFF格式文件的雙向轉換為基礎。該格式雖能處理部分設計數據，但還遠遠沒(méi)有實(shí)現無(wú)縫的反復綜合。缺少庫同步是致命的一個(gè)原因。
這種設計需求催生出了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò )的工具間的通信，它在RF設計和系統級PCB設計間提供一個(gè)動(dòng)態(tài)雙向鏈接（圖1（b））。為支持并行工程處理，多個(gè) PCB工程師可同時(shí)使用同一個(gè)設計數據庫，每人都能鏈接一個(gè)或多個(gè)模擬部分?，F在，可以采用RF設計工具來(lái)設計RF模塊，并在恰當時(shí)候將其綜合為系統級原理圖和PCB的一部分，而不再像過(guò)去那樣僅是個(gè)難以琢磨的黑匣子電路。在此階段，可在任一環(huán)境中升級電路并模擬其效果。
將每個(gè)RF電路看作一組對象，以幫助維護可追溯性、版本管理和設計問(wèn)題。因為設計意圖得以保全，所以可實(shí)施任意多次的設計反復，而沒(méi)有時(shí)間成本。此外，因為可以在真實(shí)系統級PCB環(huán)境中對RF模塊進(jìn)行模擬，所以應該更詳盡地對其功能進(jìn)行驗證以幫助縮短設計周期。
最大程度降低PCB互連設計中RF效應
電路板系統的互連包括：芯片到電路板、PCB板內互連以及PCB與外部器件之間的三類(lèi)互連。在RF設計中，互連點(diǎn)處的電磁特性是工程設計面臨的主要問(wèn)題之一，本文介紹上述三類(lèi)互連設計的各種技巧，內容涉及器件安裝方法、布線(xiàn)的隔離以及減少引線(xiàn)電感的措施等等。
目前有跡象表明，印刷電路板設計的頻率越來(lái)越高。隨著(zhù)數據速率的不斷增長(cháng)，數據傳送所要求的帶寬也促使信號頻率上限達到1GHz，甚至更高。這種高頻信號技術(shù)雖然遠遠超出毫米波技術(shù)范圍（30GHz），但的確也涉及RF和低端微波技術(shù)。
RF工程設計方法必須能夠處理在較高頻段處通常會(huì )產(chǎn)生的較強電磁場(chǎng)效應。這些電磁場(chǎng)能在相鄰信號線(xiàn)或PCB線(xiàn)上感生信號，導致令人討厭的串擾（干擾及總噪聲），并且會(huì )損害系統性能?；負p主要是由阻抗失配造成，對信號產(chǎn)生的影響如加性噪聲和干擾產(chǎn)生的影響一樣。
高回損有兩種負面效應：1.信號反射回信號源會(huì )增加系統噪聲，使接收機更加難以將噪聲和信號區分開(kāi)來(lái)；2.任何反射信號基本上都會(huì )使信號質(zhì)量降低，因為輸入信號的形狀出現了變化。
盡管由于數字系統只處理1和0信號并具有非常好的容錯性，但是高速脈沖上升時(shí)產(chǎn)生的諧波會(huì )導致頻率越高信號越弱。盡管前向糾錯技術(shù)可以消除一些負面效應，但是系統的部分帶寬用于傳輸冗余數據，從而導致系統性能的降低。一個(gè)較好的解決方案是讓RF效應有助于而非有損于信號的完整性。建議數字系統最高頻率處 （通常是較差數據點(diǎn)）的回損總值為-25dB，相當于VSWR為1.1。
PCB設計的目標是更小、更快和成本更低。對于RFPCB而言，高速信號有時(shí)會(huì )限制PCB設計的小型化。目前，解決串擾問(wèn)題的主要方法是進(jìn)行接地層管理，在布線(xiàn)之間進(jìn)行間隔和降低引線(xiàn)電感（studcapacitance）。降低回損的主要方法是進(jìn)行阻抗匹配。此方法包括對絕緣材料的有效管理以及對有源信號線(xiàn)和地線(xiàn)進(jìn)行隔離，尤其在狀態(tài)發(fā)生跳變的信號線(xiàn)和地之間更要進(jìn)行間隔。
由于互連點(diǎn)是電路鏈上最為薄弱的環(huán)節，在RF設計中，互連點(diǎn)處的電磁性質(zhì)是工程設計面臨的主要問(wèn)題，要考察每個(gè)互連點(diǎn)并解決存在的問(wèn)題。電路板系統的互連包括芯片到電路板、PCB板內互連以及PCB與外部裝置之間信號輸入/輸出等三類(lèi)互連。
一、芯片到PCB板間的互連
Pentium IV以及包含大量輸入/輸出互連點(diǎn)的高速芯片已經(jīng)面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且處理速率已經(jīng)能夠達到1GHz。在最近GHz互連研討會(huì ) （www.az.ww.com）上，最令人激動(dòng)之處在于：處理I/O數量和頻率不斷增長(cháng)問(wèn)題的方法已經(jīng)廣為人知。芯片與PCB互連的最主要問(wèn)題是互連密度太高會(huì )導致PCB材料的基本結構成為限制互連密度增長(cháng)的因素。會(huì )議上提出了一個(gè)創(chuàng )新的解決方案，即采用芯片內部的本地無(wú)線(xiàn)發(fā)射器將數據傳送到鄰近的電路板上。
無(wú)論此方案是否有效，與會(huì )人員都非常清楚：就高頻應用而言，IC設計技術(shù)已遠遠領(lǐng)先于PCB設計技術(shù)。
二、PCB板內互連
進(jìn)行高頻PCB設計的技巧和方法如下：
1. 傳輸線(xiàn)拐角要采用45°角，以降低回損（圖1）；
2. 要采用絕緣常數值按層次嚴格受控的高性能絕緣電路板。這種方法有利于對絕緣材料與鄰近布線(xiàn)之間的電磁場(chǎng)進(jìn)行有效管理。
3. 要完善有關(guān)高精度蝕刻的PCB設計規范。要考慮規定線(xiàn)寬總誤差為+/-0.0007英寸、對布線(xiàn)形狀的下切（undercut）和橫斷面進(jìn)行管理并指定布線(xiàn)側壁電鍍條件。對布線(xiàn)（導線(xiàn)）幾何形狀和涂層表面進(jìn)行總體管理，對解決與微波頻率相關(guān)的趨膚效應問(wèn)題及實(shí)現這些規范相當重要。
4. 突出引線(xiàn)存在抽頭電感，要避免使用有引線(xiàn)的組件。高頻環(huán)境下，最好使用表面安裝組件。
5. 對信號過(guò)孔而言，要避免在敏感板上使用過(guò)孔加工（pth）工藝，因為該工藝會(huì )導致過(guò)孔處產(chǎn)生引線(xiàn)電感。如一個(gè)20層板上的一個(gè)過(guò)孔用于連接1至3層時(shí)，引線(xiàn)電感可影響4到19層。
6. 要提供豐富的接地層。要采用模壓孔將這些接地層連接起來(lái)防止3維電磁場(chǎng)對電路板的影響。
7. 要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金工藝，不要采用HASL法進(jìn)行電鍍。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應（圖2）。此外，這種高可焊涂層所需引線(xiàn)較少，有助于減少環(huán)境污染。
8. 阻焊層可防止焊錫膏的流動(dòng)。但是，由于厚度不確定性和絕緣性能的未知性，整個(gè)板表面都覆蓋阻焊材料將會(huì )導致微帶設計中的電磁能量的較大變化。一般采用焊壩（solderdam）來(lái)作阻焊層。
如果你不熟悉這些方法，可向曾從事過(guò)軍用微波電路板設計的經(jīng)驗豐富的設計工程師咨詢(xún)。你還可同他們討論一下你所能承受的價(jià)格范圍。例如，采用背面覆銅共面 （copper-backedcoplanar）微帶設計比帶狀線(xiàn)設計更為經(jīng)濟，你可就此同他們進(jìn)行討論以便得到更好的建議。優(yōu)秀的工程師可能不習慣考慮成本問(wèn)題，但是其建議也是相當有幫助的?，F在要盡量對那些不熟悉RF效應、缺乏處理RF效應經(jīng)驗的年輕工程師進(jìn)行培養，這將會(huì )是一項長(cháng)期工作。
此外，還可以采用其他解決方案，如改進(jìn)計算機型，使之具備RF效應處理能力。
三、PCB與外部裝置互連
現在可以認為我們解決了板上以及各個(gè)分立組件互連上的所有信號管理問(wèn)題。那么怎么解決從電路板到連接遠端器件導線(xiàn)的信號輸入/輸出問(wèn)題呢？同軸電纜技術(shù)的創(chuàng )新者TrompeterElectronics公司正致力于解決這個(gè)問(wèn)題，并已經(jīng)取得一些重要進(jìn)展（圖3）。 另外，看一下圖4中給出的電磁場(chǎng)。這種情況下，我們管理著(zhù)微帶到同軸電纜之間的轉換。在同軸電纜中，地線(xiàn)層是環(huán)形交織的，并且間隔均勻。在微帶中，接地層在有源線(xiàn)之下。這就引入了某些邊緣效應，需在設計時(shí)了解、預測并加以考慮。當然，這種不匹配也會(huì )導致回損，必須最大程度減小這種不匹配以避免產(chǎn)生噪音和信號干擾。
電路板內阻抗問(wèn)題的管理并不是一個(gè)可以忽略的設計問(wèn)題。阻抗從電路板表層開(kāi)始，然后通過(guò)一個(gè)焊點(diǎn)到接頭，最后終結于同軸電纜處。由于阻抗隨頻率變化，頻率越高，阻抗管理越難。在寬帶上采用更高頻率來(lái)傳輸信號的問(wèn)題看來(lái)是設計中面臨的主要問(wèn)題。
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