RF电路板分区设计有关问题一
时间：10-02
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RF电路板分区设计有关问题
RF电路板分区设计有关问题
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”，但这个观点只有部分正确，RF电路板设计也有许多可以遵循准则和不应该被忽视法则。不过，在实际设计时，真正实用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各种问题。
新一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝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电路板设计是最令设计工程师感到头疼部分，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两大关键设计规则。
今天蜂窝电话设计以各种方式将所有东西集成在一起，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尺寸和最小成本集成最多功能。模拟、数字和RF电路都紧密地挤在一起，用来隔开各自问题区域空间非常小，而且考虑到成本因素，电路板层数往往又减到最小。令人感到不可思议是，多用途芯片可将多种功能集成在一个非常小裸片上，而且连接外界引脚之间排列得又非常紧密，因此RF、IF、模拟和数字信号非常靠近，但它们通常在电气上是不相干。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，电路不同部分是根据需要而分时工作，并由软件来控制转换。这意味着你可能需要为你蜂窝电话提供5到6种工作电源。
RF布局概念
在设计RF布局时，有几个总原则必须优先加以满足：
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，但通常元器件很多，PCB空间较小，因而这通常是不可能。你可以把他们放在PCB板两面，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)。
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问题。
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几种方法。
RF输出通常需要远离RF输入，稍后我们将进行详细讨论。
敏感模拟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。物理分区主要涉及元器件布局、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分区。
首先我们讨论物理分区问题。元器件布局是实现一个优秀RF设计关键，最有效技术是首先固定位于RF路径上元器件，并调整其朝向以将RF路径长度减到最小，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。
最有效电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下第二层，并尽可能将RF线走在表层上。将RF路径上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虚焊点，并可减少RF能量泄漏到层叠板内其他区域机会。
在物理空间上，像多级放大器这样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RF路径对整块PCB板性能而言非常重要，这也就是为什么元器件布局通常在蜂窝电话PCB板设计中占大部分时间原因。
在蜂窝电话PCB板上，通常可以将低噪音放大器电路放在PCB板某一面，而高功率放大器放在另一面，并最终通过双工器把它们在同一面上连接到RF端和基带处理器端天线上。需要一些技巧来确保直通过孔不会把RF能量从板一面传递到另一面，常用技术是在两面都使用盲孔。可以通过将直通过孔安排在PCB板两面都不受RF干扰区域来将直通过孔不利影响减到最小。
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；
外形不规则金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使元器件布局受到一些限制；金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位；由于金属屏蔽罩必须焊在地上，必须与元器件保持一个适当距离，因此需要占用宝贵PCB板空间。
尽可能保证屏蔽罩完整非常重要，进入金属屏蔽罩数字信号线应该尽可能走内层，而且最好走线层下面一层PCB是地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部小缺口和地缺口处布线层上走出去，不过缺口处周围要尽可能地多布一些地，不同层上地可通过多个过孔连在一起。
尽管有以上问题，但是金属屏蔽罩非常有效，而且常常还是隔离关键电路唯一解决方案。
此外，恰当和有效芯片电源去耦也非常重要。许多集成了线性线路RF芯片对电源噪音非常敏感，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电源噪音。
RF电路板分区设计有关问题
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”，但这个观点只有部分正确，RF电路板设计也有许多可以遵循准则和不应该被忽视法则。不过，在实际设计时，真正实用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各种问题。
新一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝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电路板设计是最令设计工程师感到头疼部分，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两大关键设计规则。
今天蜂窝电话设计以各种方式将所有东西集成在一起，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尺寸和最小成本集成最多功能。模拟、数字和RF电路都紧密地挤在一起，用来隔开各自问题区域空间非常小，而且考虑到成本因素，电路板层数往往又减到最小。令人感到不可思议是，多用途芯片可将多种功能集成在一个非常小裸片上，而且连接外界引脚之间排列得又非常紧密，因此RF、IF、模拟和数字信号非常靠近，但它们通常在电气上是不相干。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，电路不同部分是根据需要而分时工作，并由软件来控制转换。这意味着你可能需要为你蜂窝电话提供5到6种工作电源。
RF布局概念
在设计RF布局时，有几个总原则必须优先加以满足：
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，但通常元器件很多，PCB空间较小，因而这通常是不可能。你可以把他们放在PCB板两面，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)。
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问题。
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几种方法。
RF输出通常需要远离RF输入，稍后我们将进行详细讨论。
敏感模拟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。物理分区主要涉及元器件布局、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分区。
首先我们讨论物理分区问题。元器件布局是实现一个优秀RF设计关键，最有效技术是首先固定位于RF路径上元器件，并调整其朝向以将RF路径长度减到最小，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。
最有效电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下第二层，并尽可能将RF线走在表层上。将RF路径上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虚焊点，并可减少RF能量泄漏到层叠板内其他区域机会。
在物理空间上，像多级放大器这样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RF路径对整块PCB板性能而言非常重要，这也就是为什么元器件布局通常在蜂窝电话PCB板设计中占大部分时间原因。
在蜂窝电话PCB板上，通常可以将低噪音放大器电路放在PCB板某一面，而高功率放大器放在另一面，并最终通过双工器把它们在同一面上连接到RF端和基带处理器端天线上。需要一些技巧来确保直通过孔不会把RF能量从板一面传递到另一面，常用技术是在两面都使用盲孔。可以通过将直通过孔安排在PCB板两面都不受RF干扰区域来将直通过孔不利影响减到最小。
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；
外形不规则金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使元器件布局受到一些限制；金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位；由于金属屏蔽罩必须焊在地上，必须与元器件保持一个适当距离，因此需要占用宝贵PCB板空间。
尽可能保证屏蔽罩完整非常重要，进入金属屏蔽罩数字信号线应该尽可能走内层，而且最好走线层下面一层PCB是地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部小缺口和地缺口处布线层上走出去，不过缺口处周围要尽可能地多布一些地，不同层上地可通过多个过孔连在一起。
尽管有以上问题，但是金属屏蔽罩非常有效，而且常常还是隔离关键电路唯一解决方案。
此外，恰当和有效芯片电源去耦也非常重要。许多集成了线性线路RF芯片对电源噪音非常敏感，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电源噪音。
设计工程师, 电路板设计, 中国电子, 蓝牙设备, 人人