RF降低信号耦合的PCB布线技巧(一)

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发表人：中国手机研发网

添加日期：2007-8-13 感谢由 1mp 会员“huang4080”和大家一起分享!

新一轮蓝芽设备、 无绳电话和行动电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注 RF 电路设计技巧。 RF 电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部份，如想一次获得成功，仔细规划和注重细节是必须加 以高度重视的两大关键设计规则。 射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，因此常被形容为一种“黑色艺术”,但这个 观点只有部份正确，RF 电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的法则。不过，在实际设计 时，真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准确地实施时如何对它们进行折衷处理。 当然，有许多重要的 RF 设计课题值得讨论，包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板以及波长和 驻波，不过，本文将集中探讨与 RF 电路板分区设计有关的各种问题。 今天的行动电话设计以各种方式将所有的东西整合在一起，这对 RF 电路板设计来说很不利。现在业 界竞争非常激烈，人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本整合最多的功能。仿真、数字和 RF 电路都 紧密地挤在一起，用来隔开各自问题区域的空间非常小，而且考虑到成本因素，电路板层数往往又减到 最小。令人感到不可思议的是，多用途芯片可将多种功能整合在一个非常小的芯片上，而且连接外界的 引脚之间排列得又非常紧密，因此 RF、IF、仿真和数字信号非常靠近，但它们通常在电气上是不相干的。 电源分配可能对设计者来说是一个噩梦，为了延长电池寿命，电路的不同部份是根据需要而分时工作的， 并由软件来控制转换。这意味着你可能需要为你的行动电话提供 5 到 6 种工作电源。 RF 布局概念 在设计 RF 布局时，有几个总的原则必须优先加以满足： 1.尽可能地把高功率 RF 放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来，简单地说，就是让高功率 RF 发射电路远离低功率 RF 接收电路。 如果你的 PCB 板上有很多物理空间， 那么你可以很容易地做到这一点， 但通常零组件很多，PCB 空间较小，因而这通常是不可能的。你可以把他们放在 PCB 板的两面，或者让它 们交替工作，而不是同时工作。高功率电路有时还可包括 RF 缓冲器和压控制振荡器(VCO)。 2.确保 PCB 板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜皮越多越好。稍后，我们 将讨论如何根据需要打破这个设计原则，以及如何避免由此而可能引起的问题。 3.芯片和电源去耦同样也极为重要，稍后将讨论实现这个原则的几种方法。 4.RF 输出通常需要远离 RF 输入，稍后我们将进行详细

讨论。 5.敏感的仿真信号应该尽可能远离高速数字信号和 RF 信号。 如何进行分区？ 设计分区可以分解为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及零组件布局、朝向和屏蔽等问题；电 气分区可以继续分解为电源分配、RF 走线、敏感电路和信号以及接地等的分区。 首先我们讨论物理分区问题。零组件布局是实现一个优秀 RF 设计的关键，最有效的技术是首先固定 位于 RF 路径上的零组件，并调整其朝向以将 RF 路径的长度减到最小，使输入远离输出，并尽可能远地 分离高功率电路和低功率电路。 最有效的电路板堆栈方法是将主接地面(主地)安排在表层下的第二层， 并尽可能将 RF 线走在表层上。 将 RF 路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感， 而且还可以减少主地上的虚焊点， 并可减少 RF 能量泄漏到层叠板内其它区域的机会。

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在物理空间上， 像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个 RF 区之间相互隔离开来， 但是双工器、 混频器和中频放大器/混频器总是有多个 RF/IF 信号相互干扰，因此必须小心地将这一影响减到最小。RF 与 IF 走线应尽可能走十字交叉，并尽可能在它们之间隔一块地。正确的 RF 路径对整块 PCB 板的性能而 言非常重要，这也就是为什么零组件布局通常在行动电话 PCB 板设计中占大部份时间的原因。 在行动电话 PCB 板上，通常可以将低噪音放大器电路放在 PCB 板的某一面，而高功率放大器放在另 一面，并最终藉由双工器把它们在同一面上连接到 RF 端和基频处理器端的天线上。需要一些技巧来确保 直藉由孔不会把 RF 能量从板的一面传递到另一面，常用的技术是在两面都使用盲孔。可以藉由将直藉由 孔安排在 PCB 板两面都不受 RF 干扰的区域来将直藉由孔的不利影响减到最小。 有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离，在这种情况下就必须考虑采用金属屏蔽罩将射频 能量屏蔽在 RF 区域内，但金属屏蔽罩也存在问题，例如：自身成本和装配成本都很贵；外形不规则的金 属屏蔽罩在制造时很难保证高精密度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使零组件布局受到一些限制；金属 屏蔽罩不利于零组件更换和故障定位；由于金属屏蔽罩必须焊在地上，必须与零组件保持一个适当距离， 因此需要占用宝贵的 PCB 板空间。 尽可能保证屏蔽罩的完整非常重要，进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层，而且最好走 线层的下面一层 PCB 是地层。RF 信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和地缺口处的布线层上走出去， 不过缺口处周围要尽可能地多布一些地，不同层上的地可藉由多个过孔连在一起。 尽管有以上的问题

,但是金属屏蔽罩非常有效，而且常常还是隔离关键电路的唯一解决方案。 此外，恰当和有效的芯片电源去耦也非常重要。许多整合了线性线路的 RF 芯片对电源的噪音非常敏 感，通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的电源噪音(见图 1)

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