怎樣才能設計一個(gè)好的射頻電路，這些地方值得你注意

　　【1】射頻電路中元器件封裝的注意事項

　　成功的RF設計必須仔細注意整個(gè)設計過(guò)程中每個(gè)步驟及每個(gè)細節，這意味著(zhù)必須在設計開(kāi)始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細的規劃，并對每個(gè)設計步驟的進(jìn)展進(jìn)行全面持續的評估。而這種細致的設計技巧正是國內大多數電子企業(yè)文化所欠缺的。

　　近幾年來(lái)，由于藍牙設備、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )(WLAN)設備，和移動(dòng)電話(huà)的需求與成長(cháng)，促使業(yè)者越來(lái)越關(guān)注RF電路設計的技巧。從過(guò)去到現在，RF電路板設計如同電磁干擾(EMI)問(wèn)題一樣，一直是工程師們最難掌控的部份，甚至是夢(mèng)魘。若想要一次就設計成功，必須事先仔細規劃和注重細節才能奏效。

　　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)」(black art) 。但這只是一種以偏蓋全的觀(guān)點(diǎn)，RF電路板設計還是有許多可以遵循的法則。不過(guò)，在實(shí)際設計時(shí)，真正實(shí)用的技巧是當這些法則因各種限制而無(wú)法實(shí)施時(shí)，如何對它們進(jìn)行折衷處理。重要的RF設計課題包括：阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長(cháng)和諧波...等。

　　該視頻是描述了射頻電路中，新建電路元器件封裝大小的注意事項。

　　在 WiFi 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，射頻電路的布線(xiàn)(RF Circuit Layout Guide)是極為關(guān)鍵的一個(gè)過(guò)程。很多時(shí)候，我們可能在原理上已經(jīng)設計的很完善，但是在實(shí)際的制板，上件過(guò)后發(fā)現很不理想，實(shí)際上這些都是布線(xiàn)(Layout)做的不夠完善的原因。本文將以一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的布線(xiàn)實(shí)例及本人的一點(diǎn)工作經(jīng)驗為大家講解一下射頻電路在布線(xiàn)中應該注意的一些問(wèn)題。

　　電路板的疊構(PCB Stack Up)

　　在進(jìn)行布線(xiàn)之前，我們首先要確定電路板的疊構，就像蓋房子要先有房子的墻壁。電路板的疊構的確定與電路設計的復雜度，電磁兼容的考慮等很多因素有關(guān)。下圖給出了四層板，六層板和八層板的常用疊構方式。

　　在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的PCB疊構中，基本上不會(huì )出現單面板的情況，所以本文也不會(huì )對單面板的情況加以討論。

　　兩層板設計中應該注意的問(wèn)題。

　　在四層板的設計中，我們一般會(huì )將第二層作為完整的地平面，同時(shí)，也會(huì )把重要的信號線(xiàn)走在頂層(當然包括射頻走線(xiàn))，以便于很好的控制阻抗。在六層板或者更多層板的設計中，我們同樣會(huì )將第二層作為完整的地平面，然后在頂層走最重要的信號線(xiàn)。

　　PS：可以使用Polar計算單端阻抗與阻抗等，有些Layout軟件自身就集成了阻抗計算器，如Allegro。

　　阻抗控制

　　在我們進(jìn)行原理設計與仿真之后，在Layout中很值得注意的一件事情就是阻抗控制。眾所周知，我們應該盡量保證走線(xiàn)的特征是50歐姆，這主要和線(xiàn)寬有關(guān)，在本實(shí)例中，是兩層半，在Polar中采用Surface Coplanar Line模型進(jìn)行阻抗的計算，我們可以得到一組比較理想的值：

　　Height(H)=39.6mil, Track(W)=30mil, Track(W1)=30mil,Thickness=1OZ=1.4mil, Separation(S)=7mil, Dielectric(Er)=4.2，對應的特征阻抗是52.14歐姆，符合要求。如下圖中高亮的線(xiàn)就是這樣的一條射頻走線(xiàn)。

　　射頻元器件的擺放

　　相信做過(guò)射頻設計的人都應該知道，我們應該盡可能的使走線(xiàn)的長(cháng)度較短，元器件擺放的越緊湊越好(特殊要求除外)，同時(shí)，也會(huì )盡可能的保證元器件的擺放對布線(xiàn)很有利(不要使走線(xiàn)繞來(lái)繞去的)。如下圖，是射頻功率放大器(PA，Power Amplifier)的周?chē)骷臄[放，我們看到，元器件之間的距離很小。

　　射頻走線(xiàn)應該注意的問(wèn)題

　　如前所述，射頻走線(xiàn)的長(cháng)度要盡量短，線(xiàn)寬嚴格按照計算好的值去設定。在走線(xiàn)是尤其要注意的是，射頻走線(xiàn)中不要有任何帶有尖狀的折點(diǎn)，在走線(xiàn)的轉折處，最好要用弧線(xiàn)來(lái)實(shí)現，如下圖

　　其次，在多層板的走線(xiàn)中，有可能重要的射頻線(xiàn)要產(chǎn)生不可避免的交叉，這時(shí)我們就要使用我們最不想使用的東西：過(guò)孔。這樣，會(huì )有部分射頻信號線(xiàn)走到底層甚至中間層，但無(wú)論是哪一層，射頻走線(xiàn)一定會(huì )有參考平面，這時(shí)一個(gè)值得注意的問(wèn)題就是不要跨層，或者說(shuō)不要使地平面不連續。

　　過(guò)孔的放置

　　過(guò)孔的放置真的是一件比較復雜的事情，本文只討論那種接地的過(guò)孔。

　　首先，射頻走線(xiàn)的旁邊的地線(xiàn)最好能通過(guò)過(guò)孔打穿，接到底層或者中間層的地平面上，這樣可以是任何干擾信號或者輻射有最短的到地的通路，但是，過(guò)孔與射頻信號線(xiàn)的距離又不能太近，否則會(huì )嚴重影響射頻信號質(zhì)量，在實(shí)際的設計過(guò)程中可靈活把握，如下圖，我們看到，高亮的信號線(xiàn)兩層分布著(zhù)很多過(guò)孔。

　　其次，在面積較大的地平面處，我們通常會(huì )放置很多的過(guò)孔用于連接不同層的地。這在射頻電路的布線(xiàn)中，要注意的就是大過(guò)孔要沒(méi)有規律的打，最好能弄成菱形的，這樣可以最大限度的抑制各種干擾。

　　【2】射頻電路電源設計注意事項

　　(1)電源線(xiàn)是EMI 出入電路的重要途徑。通過(guò)電源線(xiàn)，外界的干擾可以傳入內部電路，影響RF電路指標。為了減少電磁輻射和耦合，要求DC-DC模塊的一次側、二次側、負載側環(huán)路面積最小。電源電路不管形式有多復雜，其大電流環(huán)路都要盡可能小。電源線(xiàn)和地線(xiàn)總是要很近放置。

　　(2)如果電路中使用了開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的外圍器件布局要符合各功率回流路徑最短的原則。濾波電容要靠近開(kāi)關(guān)電源相關(guān)引腳。 使用共模電感，靠近開(kāi)關(guān)電源模塊。

　　(3)單板上長(cháng)距離的電源線(xiàn)不能同時(shí)接近或穿過(guò)級聯(lián)放大器(增益大于45dB)的輸出和輸入端附近。避免電源線(xiàn)成為RF信號傳輸途徑，可能引起自激或降低扇區隔離度。長(cháng)距離電源線(xiàn)的兩端都需要加上高頻濾波電容，甚至中間也加高頻濾波電容。

　　(4)RF PCB的電源入口處組合并聯(lián)三個(gè)濾波電容，利用這三種電容的各自?xún)?yōu)點(diǎn)分別濾除電源線(xiàn)上的低、中、高頻。例如：10uf，0.1uf，100pf。并且按照從大到小的順序依次靠近電源的輸入管腳。

　　(5)用同一組電源給小信號級聯(lián)放大器饋電，應當先從末級開(kāi)始，依次向前級供電，使末級電路產(chǎn)生的EMI 對前級的影響較小。且每一級的電源濾波至少有兩個(gè)電容：0.1uf，100pf。 當信號頻率高于1GHz時(shí)，要增加10pf濾波電容。

　　(6)常用到小功率電子濾波器，濾波電容要靠近三極管管腳，高頻濾波電容更靠近管腳。三極管選用截止頻率較低的。如果電子濾波器中的三極管是高頻管，工作在放大區，外圍器件布局又不合理，在電源輸出端很容易產(chǎn)生高頻振蕩。線(xiàn)性穩壓模塊也可能存在同樣的問(wèn)題，原因是芯片內存在反饋回路，且內部三極管工作在放大區。在布局時(shí)要求高頻濾波電容靠近管腳，減小分布電感，破壞振蕩條件。

　　(7)PCB的POWER部分的銅箔尺寸符合其流過(guò)的最大電流，并考慮余量(一般參考為1A/mm線(xiàn)寬)。

　　(8)電源線(xiàn)的輸入輸出不能交叉。

　　(9)注意電源退耦、濾波，防止不同單元通過(guò)電源線(xiàn)產(chǎn)生干擾，電源布線(xiàn)時(shí)電源線(xiàn)之間應相互隔離。電源線(xiàn)與其它強干擾線(xiàn)(如CLK)用地線(xiàn)隔離。

　　(10)小信號放大器的電源布線(xiàn)需要地銅皮及接地過(guò)孔隔離，避免其它EMI干擾竄入，進(jìn)而惡化本級信號質(zhì)量。

　　(11)不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問(wèn)題一定要設法避免，難以避免時(shí)可考慮中間隔地層。

　　(12)PCB板層分配便于簡(jiǎn)化后續的布線(xiàn)處理，對于一個(gè)四層PCB板(WLAN中常用的電路板)，在大多數應用中用電路板的頂層放置元器件和RF引線(xiàn)，第二層作為系統地，電源部分放置在第三層，任何信號線(xiàn)都可以分布在第四層。

　　第二層采用連續的地平面布局對于建立阻抗受控的RF信號通路非常必要，它還便于獲得盡可能短的地環(huán)路，為第一層和第三層提供高度的電氣隔離，使得兩層之間的耦合最小。當然，也可以采用其它板層定義的方式(特別是在電路板具有不同的層數時(shí))，但上述結構是經(jīng)過(guò)驗證的一個(gè)成功范例。

　　(13)大面積的電源層能夠使Vcc布線(xiàn)變得輕松，但是，這種結構常常是引發(fā)系統性能惡化的導火索，在一個(gè)較大平面上把所有電源引線(xiàn)接在一起將無(wú)法避免引腳之間的噪聲傳輸。反之，如果使用星型拓撲則會(huì )減輕不同電源引腳之間的耦合。

　　上圖給出了星型連接的Vcc布線(xiàn)方案，該圖取自MAX2826 IEEE 802.11a/g收發(fā)器的評估板。圖中建立了一個(gè)主Vcc節點(diǎn)，從該點(diǎn)引出不同分支的電源線(xiàn)，為RF IC的電源引腳供電。每個(gè)電源引腳使用獨立的引線(xiàn)在引腳之間提供了空間上的隔離，有利于減小它們之間的耦合。另外，每條引線(xiàn)還具有一定的寄生電感，這恰好是我們所希望的，它有助于濾除電源線(xiàn)上的高頻噪聲。

　　使用星型拓撲Vcc引線(xiàn)時(shí)，還有必要采取適當的電源去耦，而去耦電容存在一定的寄生電感。事實(shí)上，電容等效為一個(gè)串聯(lián)的RLC電路，電容在低頻段起主導作用，但在自激振蕩頻率(SRF)：  

　　之后，電容的阻抗將呈現出電感性。由此可見(jiàn)，電容器只是在頻率接近或低于其SRF時(shí)才具有去耦作用，在這些頻點(diǎn)電容表現為低阻。

　　給出了不同容值下的典型S11參數，從這些曲線(xiàn)可以清楚地看到SRF，還可以看出電容越大，在較低頻率處所提供的去耦性能越好(所呈現的阻抗越低)。

　　在Vcc星型拓撲的主節點(diǎn)處最好放置一個(gè)大容量的電容器，如2.2μF。該電容具有較低的SRF，對于消除低頻噪聲、建立穩定的直流電壓很有效。IC的每個(gè)電源引腳需要一個(gè)低容量的電容器(如10nF)，用來(lái)濾除可能耦合到電源線(xiàn)上的高頻噪聲。對于那些為噪聲敏感電路供電的電源引腳，可能需要外接兩個(gè)旁路電容。例如：用一個(gè)10pF電容與一個(gè)10nF電容并聯(lián)提供旁路，可以提供更寬頻率范圍的去耦，盡量消除噪聲對電源電壓的影響。每個(gè)電源引腳都需要認真檢驗，以確定需要多大的去耦電容以及實(shí)際電路在哪些頻點(diǎn)容易受到噪聲的干擾。

　　良好的電源去耦技術(shù)與嚴謹的PCB布局、Vcc引線(xiàn)(星型拓撲)相結合，能夠為任何RF系統設計奠定穩固的基礎。盡管實(shí)際設計中還會(huì )存在降低系統性能指標的其它因素，但是，擁有一個(gè)“無(wú)噪聲”的電源是優(yōu)化系統性能的基本要素.