為什么設計射頻和微波PCB的難度如此之大？

　　簡(jiǎn)介

　　如今的電子產(chǎn)品已經(jīng)不再像上世紀 70 年代的電視和電冰箱一樣，消費者每隔十年才更新?lián)Q代一次?，F在幾乎每個(gè)家庭的每位成員都是電子產(chǎn)品的消費者，而且隨著(zhù)科技發(fā)展不斷為智慧手機、平板計算機、汽車(chē)和電視帶來(lái)各種人們消費得起的新功能，人們每年都會(huì )購買(mǎi)新產(chǎn)品。

　　這些電子產(chǎn)品的共同特征之一是采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)，而該技術(shù)極度依賴(lài)于RF射頻電路。遺憾的是，即使是最自信的設計人員，對于射頻電路也往往望而卻步，因為它會(huì )帶來(lái)巨大的設計挑戰，并且需要專(zhuān)業(yè)的設計和分析工具。正因為如此，許多年來(lái)，PCB的射頻部分一直是由擁有射頻設計專(zhuān)長(cháng)的獨立設計人員完成設計。

　　為什么設計射頻和微波 PCB 的難度如此之大?

　　該設計過(guò)程中出現的問(wèn)題非常多，并且可能對質(zhì)量和生產(chǎn)率造成嚴重影響。例如，將一名設計人員的射頻電路嵌入到其他設計人員的PCB時(shí)，由于他們往往使用不同的設計格式，因此效率必然大打折扣。此外，設計人員還經(jīng)常被迫在設計中做出更改，以便配合使用射頻電路。由于仿真往往是在射頻電路中進(jìn)行的，而不是在整個(gè)PCB 的背景下進(jìn)行，因此可能會(huì )遺漏電路板對射頻電路產(chǎn)生的顯著(zhù)影響，反之亦然。

　　隨著(zhù)射頻內容不斷增加，PCB設計人員和工程師意識到，為提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，最好由他們在自己的設計工具內自行解決射頻設計挑戰。遺憾的是，大多數桌面PCB設計工具并不能幫助他們簡(jiǎn)化這一任務(wù)。

　　例如，在使用射頻仿真器對電路建模后，一旦達到所需的電氣性能，仿真器就會(huì )產(chǎn)生此電路的銅箔形狀(通常為DXF格式)，以便導入到PCB設計工具中。此過(guò)程往往會(huì )給設計人員帶來(lái)一些困擾，例如由于無(wú)法正確轉換DXF檔而導致不能將其轉換為銅箔形狀。這種情況下，設計人員需要手動(dòng)操作導入DXF檔，而這可能會(huì )在形狀尺寸方面產(chǎn)生人為錯誤和誤差，從而導致射頻電路失效。

　　PCB設計人員或工程師在嘗試對射頻和微波電路進(jìn)行Layout設計時(shí)面臨的挑戰還遠遠不止上述幾條。不過(guò)，好在您的設計工具中有一些小型解決方案在化解上述挑戰方面可發(fā)揮重要作用。本白皮書(shū)將為您介紹六條技巧，來(lái)幫助您簡(jiǎn)化任何射頻PCB設計任務(wù)和減輕工作壓力!

　　1. 保持完好、精確的射頻形狀

　　類(lèi)似前面描述的一些嚴重錯誤可能導致電路性能低下，甚至無(wú)法工作。為了盡量減少錯誤、簡(jiǎn)化射頻設計任務(wù)以及提高生產(chǎn)率，PCB設計工具可以針對復雜的銅箔形狀提供導入控制。例如，您可以透過(guò)控制DXF 檔中的層別，并將其重新映像至CAD電氣系統層別，來(lái)建立可用的銅箔形狀(圖 1)。

　　圖1：設計工具如果允許使用者控制DXF 導入過(guò)程，將有助于減少人為錯誤和誤差，例如在由于復雜性過(guò)高而導致導入的檔案無(wú)法轉換為銅箔形狀時(shí)。

　　2. 保留拐角形狀(CORNERS SHARP)

　　設計用于射頻和微波的銅箔形狀時(shí)，一個(gè)很重要的方面是能夠建立帶尖拐角的 Gerber檔。優(yōu)秀的PCB設計工具可以簡(jiǎn)化這一過(guò)程。例如，使用50毫米線(xiàn)條繪制形狀與使用50毫米圓形光圈繪圖相比，往往令設計具有較小的半徑。設計工具在建立Gerber檔時(shí)，可透過(guò)正確地自動(dòng)轉換線(xiàn)條寬度來(lái)獲得尖拐角(圖 2)。

　　圖2：有效的PCB 設計工具會(huì )自動(dòng)考慮用于繪制形狀的線(xiàn)型，以計算準確的線(xiàn)條寬度，幫助您輕松建立尖拐角。

　　3. 自動(dòng)產(chǎn)生倒角(CHAMFERED CORNERS)

　　射頻和微波電路中經(jīng)常用到倒角，以減小供給線(xiàn)與電容之間的分段不連續性阻抗，從而改善 MMIC 的頻率性能。90o 拐角與倒角之間的距離至關(guān)重要。因此，設計人員需要采用自動(dòng)方法來(lái)基于設計指定需要產(chǎn)生的倒角比率。PCB設計工具如果能夠基于設計規則自動(dòng)強制實(shí)施需要產(chǎn)生的倒角比率，設計人員和工程師將會(huì )從中受益，在節省時(shí)間的同時(shí)提高設計質(zhì)量(圖 3)。

　　圖3：設定倒角規則的功能可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程和節省時(shí)間。

　　4. 使用自動(dòng)化功能有助于布置COPLANAR和CHANNEL WAVEGUIDES

　　共面波導和頻道波導在射頻和微波設計中也很常見(jiàn)。采取手動(dòng)方式建立時(shí)，此項任務(wù)可能非常耗時(shí)，而且容易出錯。設計人員需要控制走線(xiàn)與via之間的特定距離，以及一個(gè)via與另一個(gè)via之間的距離，從而確保電路具有符合設計要求的性能。設計工具在這方面也能提供幫助，即透過(guò)提供via使用控制和自動(dòng)使用via來(lái)降低復雜性和提高質(zhì)量(圖 4)。

　　圖4：PCB 設計工具如果能夠控制coplanar和wave-guide via的建立，將有助于顯著(zhù)減少設計錯誤和縮短設計時(shí)間。

　　5. 使用自動(dòng)化STITCHING VIAS

　　射頻設計的另一個(gè)重要方面是確保正確地利用vias屏蔽特定的區域。盡管此任務(wù)可由設計人員手動(dòng)進(jìn)行，但這個(gè)過(guò)程極其耗時(shí)。如果PCB設計工具能夠自動(dòng)完成此過(guò)程，將可以縮短設計周期時(shí)間并確保符合您的所有設計規則。利用此類(lèi)工具，設計人員可以指定via模式產(chǎn)生特定規則，而將剩余的工作全部交由PCB設計工具完成。

　　6. 使用設計規則確?！霸O計即正確”

　　支持射頻設計的PCB設計工具通常允許設定多項設計規則：用于不同銅箔區域的via類(lèi)型;via自身需要連接到的net類(lèi)型;從銅箔區域邊緣到via需要保持的距離;一個(gè)via到下一個(gè)via的距離;via模式類(lèi)型;以及能否僅僅透過(guò)向銅箔區域的外緣添加via來(lái)產(chǎn)生Faraday cage(圖 5)。

　　圖 5：利用支持射頻設計的PCB設計工具，您可以設定用于產(chǎn)生via模式的設計規則，并自動(dòng)在您的設計中強制實(shí)施這些規則，從而節省您的時(shí)間和確保符合您的所有設計規則。

　　結論

　　當今的設計人員和工程師面臨著(zhù)日益加劇的設計挑戰，因此很有必要擁有一款能夠高效率支持射頻和微波設計的PCB 設計工具。手動(dòng)建立復雜的銅箔形狀、倒角和via模式是一個(gè)既耗時(shí)又容易出錯的過(guò)程。透過(guò)使用有效的設計工具提高操作射頻和微波元素的能力，設計人員可以集中精力實(shí)施更多功能和縮小設備尺寸，同時(shí)保持較高的產(chǎn)品質(zhì)量。