射频电路设计技巧及注意事项

射频电路设计技巧及注意事项

近几年来，由于蓝牙设备、无线局域网络(WLAN)设备，和移动电话的需求与成长，促使业者越来越关注RF电路设计的技巧。从过去到现在，RF电路板设计如同电磁干扰(EMI)问题一样，一直是工程师们最难掌控的部份，甚至是梦魇。若想要一次就设计成功，必须事先仔细规划和注重细节才能奏效。RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节，必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的进展进行全面持续的评估。

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」(black art) 。但这只是一种以偏盖全的观点，RF电路板设计还是有许多可以遵循的法则。不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些法则因各种限制而无法实施时，如何对它们进行折衷处理。重要的RF设计课题包括：阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板、波长和谐波...等，本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题。

微过孔的种类
电路板上不同性质的电路必须分隔，但是又要在不产生电磁干扰的最佳情况下连接，这就需要用到微过孔(microvia)。通常微过孔直径为0.05mm至0.20mm，这些过孔一般分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型制程完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为组件的黏着定位孔。

采用分区技巧
在设计RF电路板时，应尽可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来，简单的说，就是让高功率RF发射电路远离低噪音接收电路。如果PCB板上有很多空间，那么可以很容易地做到这一点。但通常零组件很多时，PCB空间就会变的很小，因此这是很难达到的。可以把它们放在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(buffer)和压控振荡器(VCO)。

设计分区可以分成实体分区(physical partitioning)和电气分区(Electrical partitioning)。实体分区主要涉及零组件布局、方位和屏蔽等问题；电气分区可以继续分成电源分配、RF走线、敏感电路和信号、接地等分区。

实体分区
零组件布局是实现一个优异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，并调整其方位，使RF路径的长度减到最小。并使RF输入远离RF输出，并尽可能远离高功率电路和低噪音电路。

最有效的电路板堆栈方法是将主接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，而且还可以减少主接地上的虚焊点，并可减少RF能量泄漏到层叠板内其它区域的机会。

在实体空间上，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接地面积。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移动电话PCB板设计中占大部份时间的原因。

在移动电话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，并最终藉由双工器在同一面上将它们连接到RF天线的一端和基频处理器的另一端。这需要一些技巧来确保RF能量不会藉由过孔，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。可以藉由将盲孔安排在PCB板两面都不受RF干扰的区域，来将过孔的不利影响减到最小。

金属屏蔽罩

有时，不太可能在多个电路区块之间保留足够的区隔，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，但金属屏蔽罩也有副作用，例如：制造成本和装配成本都很高。
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移位；由于金属屏蔽罩必须焊在接地面上，而且必须与零组件保持一个适当的距离，因此需要占用宝贵的PCB板空间。

尽可能保证金属屏蔽罩的完整非常重要，所以进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层，而且最好将信号线路层的下一层设为接地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口处的布线层走线出去，不过缺口处周围要尽可能被广大的接地面积包围，不同信号层上的接地可藉由多个过孔连在一起。

在移动电话里，大多数电路的直流电流都相当小，因此走线宽度通常不是问题，不过，必须为高功率放大器的电源单独设计出一条尽可能宽的大电流线路，以使发射时的瞬态压降(voltage drop)能减到最低。为了避免太多电流损耗，需要利用多个过孔将电流从某一层传递到另一层。此外，如果不能在高功率放大器的电源接脚端对它进行充分的去耦，那么高功率噪音将会辐射到整块电路板上，并带来各种各样的问题。高功率放大器的接地相当重要，并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩.