電巢:射頻電路PCB設計有哪些難點?如何改善?

射頻（RF）PCB 設計，在目前公開出版的理論上具有很多不確定性，常被形容為一種「黑色藝術」。通常情況下，對於微波以下頻段的電路（ 包括低頻和低頻數字電路）， 在全面掌握各類設計原則前提下的仔細規劃是一次性成功設計的保證。對於微波以上頻段和高頻的PC 類數字電路，則需要2~3 個版本的 PCB 方能保證電路品質。而對於微波以上頻段的RF 電路， 則往往需要更多版本的 PCB 設計並不斷完善， 而且是在具備相當經驗的前提下。由此可知 RF 電設計上的困難。

典型的射頻板

無線上網模塊

布局前需要熟知產品架構和信號流向

1 RF 電路設計的常見問題

1.1 數字電路模塊和模擬電路模塊之間的幹擾

如果模擬電路（射頻）和數字電路單獨工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個電源一起工作，整個系統很可能就不穩定。這主要是因為數位訊號頻繁地在地和正電源（>3 V）之間擺動，而且周期特別短，常常是納秒級的。由於較大的振幅和較短的切換時間， 使得這些數位訊號包含大量且獨立於切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無線調諧迴路傳到無線設備接收部分的信號一般小於1μV。因此數位訊號與射頻信號之間的差別會達到 120 dB。顯然，如果不能使數位訊號與射頻信號很好地分離， 微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來，無線設備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。

常見的幹擾現象

數模射頻混合電路分區設計

1.2 供電電源的噪聲幹擾

射頻電路對於電源噪聲相當敏感， 尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個內部時鐘周期內短時間突然吸入大部分電流， 這是由於現代微控制器都採用CMOS 工藝製造。因此， 假設一個微控制器以 1 MHz 的內部時鐘頻率運行，它將以此頻率從電源提取電流。如果不採取合適的電源去耦， 必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達電路 RF 部分的電源引腳，嚴重時可能導致工作失效。

射頻晶片電源布局及電容排布要注意規則

高速時鐘重要信號走線走內層完整的參考平面及包裹保護

1.3 不合理的地線

如果 RF 電路的地線處理不當，可能產生一些奇怪的現象。對於數字電路設計，即使沒有地線層，大多數數字電路功能也表現良好。而在 RF 頻段，即使一根很短的地線也會如電感器一樣作用。粗略地計算， 每毫米長度的電感量約為 1 nH， 433 MHz時10 mm PCB 線路的感抗約 27Ω。如果不採用地線層， 大多數地線將會較長， 電路將無法具有設計的特性。

不合理接接地

1.4 天線對其他模擬電路部分的輻射幹擾

在 PCB 電路設計中， 板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模/ 數轉換（ADC）或數/ 模轉換器（DAC）。射頻發送器的天線發出的高頻信號可能會到達 ADC 的模擬輸入端。因為任何電路線路都可能如天線一樣發出或接收 RF 信號。如果 ADC輸入端的處理不合理， RF 信號可能在 ADC 輸入的ESD 二極體內自激，從而引起 ADC 偏差。

天線的禁布區和天線對內部電路相互幹擾

2 RF 電路設計原則及方案

2.1 RF 布局概念

在設計 RF 布局時，必須優先滿足以下幾個總原則

（1）儘可能地把高功率 RF 放大器（HPA）和低噪音放大器（LNA）隔離開來， 簡單地說， 就是讓高功率RF 發射電路遠離低功率 RF 接收電路。

功率放大電路PA偏置四分之一波長設計

一字排布原則

放大器偏置電感垂直排布

錯誤的放大器偏置布局

（2）確保 PCB 板上高功率區至少有一整塊地，最好上面沒有過孔，當然，銅箔面積越大越好。

足夠的GND過孔改善信號接地和散熱

射頻濾波器等接地要充分

（3）電路和電源去耦同樣也極為重要。

（4）RF 輸出通常需要遠離 RF 輸入。

（5）敏感的模擬信號應該儘可能遠離高速數位訊號和 RF 信號。

AD9361收發電路做好隔離及巴倫差分阻抗匹配

2.2 物理分區和電氣分區設計原則

設計分區可以分解為物理分區和電氣分區。物理分區主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等; 電氣分區可以繼續分解為電源分配、RF 走線、敏感電路和信號以及接地等的分區。

射頻走線及整版打孔

2.2.1 物理分區原則

（1）元器件位置布局原則。元器件布局是實現一個優秀 RF設計的關鍵， 最有效的技術是首先固定位於 RF 路徑上的元器件並調整其方向， 以便將RF 路徑的長度減到最小， 使輸入遠離輸出， 並儘可能遠地分離高功率電路和低功率電路。

RX/TX挖地或者屏蔽隔離

（2）PCB 堆疊設計原則。最有效的電路板堆疊方法是將主接地面（主地）安排在表層下的第二層，並儘可能將 RF 線布置在表層上。將 RF 路徑上的過孔尺寸減到最小， 這不僅可以減少路徑電感， 而且還可以減少主地上的虛焊點， 並可減少 RF 能量洩漏到層疊板內其他區域的機會。

常用射頻板材型號

合理的的Ro4350射頻層疊和阻抗線寬設計

（3）射頻器件及其 RF 布線布局原則。在物理空間上， 像多級放大器這樣的線性電路通常足以將個 RF 區之間相互隔離開來， 但是雙工器、混頻器和中頻放大器/ 混頻器總是有多個 RF/IF 信號相互幹擾， 因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與 IF 跡線應儘可能十字交叉， 並儘可能在它們之間隔一塊地。正確的 RF 路徑對整塊 PCB 的性能非常重要，這就是元器件布局通常在蜂窩電話 PCB 設計中佔大部分時間的原因。

二選一電路設計需要注意開路微帶

2.2.2 電氣分區原則

（1）功率傳輸原則。蜂窩電話中大多數電路的直流電流都相當小， 因此， 布線寬度通常不是問題。不過， 必須為高功率放大器的電源單獨設定一條儘可能寬的大電流線， 以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗， 需要採用多個通孔來將電流從某一層傳遞到另一層。

（2）高功率器件的電源去耦。如果不能在高功率放大器的電源引腳端對它進行充分的去耦， 那麼高功率噪聲將會輻射到整塊板上， 並帶來多種的問題。高功率放大器的接地相當關鍵， 經常需要為其設計一個金屬屏蔽罩。

（3）RF 輸入/ 輸出隔離原則。在大多數情況下，同樣關鍵的是確保 RF 輸出遠離 RF 輸入。這也適用於放大器、緩衝器和濾波器。在最壞情況下，如果放大器和緩衝器的輸出以適當的相位和振幅反饋到它們的輸入端， 那麼它們就有可能產生自激振蕩。在最好情況下， 它們將能在任何溫度和電壓條件下穩定地工作。實際上， 它們可能會變得不穩定， 並將噪音和互調信號添加到RF 信號上。

輸入輸出需要拉開距離

3 結束語

總而言之，射頻電路因其為分布參數電路，存在趨膚效應和耦合效應，不同於低頻電路和直流電路。因而在進行射頻電路PCB 設計時，需要特別注意這些問題，從而保證電路設計的有效和準確。E- Link 網絡數據傳輸器還可用於構建新一代的乙太網測控系統，用以改造現有的由現場總線組成的分布式控制系統和開發生產網絡測控設備。它將推動家用電器智能化和網絡化，並使人們的生活方式發生深刻的變化。