射频pcb

射频即Radio Frequency，缩写为RF。射频pcb常写作RFpcb。RF表示可以辐射到空间的电磁频率 ，频率范围从300KHz～30GHz之间。射频简称RF射频就是射频电流。它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。

RF PCB的五条标准

这五条标准虽然不是金科玉律，但在射频pcb 的设计环节中是十分重要的。

• 1）小功率的RF的PCB设计中，主要使用标准的FR4材料（绝缘特性好、材质均匀、介电常数ε=4，10%）。主要使用4层~6层板，在成本非常敏感的情况下可以使用厚度在1mm以下的双面板，要保证反面是一个完整的地层，同时由于双面板的厚度在1mm以上，使得地层和信号层之间的FR4介质较厚，为了使得RF信号线阻抗达到50欧，往往信号走线的宽度在2mm左右，使得板子的空间分布很难控制。对于四层板，一般情况下顶层只走RF信号线，第二层是完整的地，第三层是电源，底层一般走控制RF器件状态的数字信号线（比如设定ADF4360系列PLL的clk、data、LE信号线。）第三层的电源最好不要做成一个连续的平面，而是让各个RF器件的电源走线呈星型分布，最后接于一点。第三层RF器件的电源走线不要和底层的数字线有交叉。
  
  2）对于一个混合信号的PCB，RF部分和模拟部分应当远离数字数字部分（这个距离通常在2cm以上，至少保证1cm），数字部分的接地应当与RF部分分隔开。严禁使用开关电源直接给RF部分供电。主要在于开关电源的纹波会将RF部分的信号调制。这种调制往往会严重破坏射频信号，导致致命的结果。通常情况下，对于开关电源的输出，可以经过大的扼流圈，以及π滤波器，再经过线性稳压的低噪音LDO（Micrel的MIC5207、MIC5265系列，对于高电压，大功率的RF电路，可以考虑使用 LM1085、LM1083等）得到供给RF电路的电源。
  
  3）RF的PCB中，各个元件应当紧密的排布，确保各个元件之间的连线最短。对于ADF4360-7的电路，在pin-9、pin-10引脚上的VCO电感与ADF4360芯片间的距离要尽可能的短，保证电感与芯片间的连线带来的分布串联电感最小。对于板子上的各个RF器件的地（GND）引脚，包括电阻、电容、电感与地（GND）相接的引脚，应当在离引脚尽可能近的地方打过孔与地层（第二层）连通。
  
  4）在选择在高频环境下工作元器件时，尽可能使用表贴器件。这是因为表贴元件一般体积小，元件的引脚很短。这样可以尽可能减少元件引脚和元件内部走线带来的附加参数的影响。尤其是分立的电阻、电容、电感元件，使用较小的封装（0603\0402）对提高电路的稳定性、一致性是非常有帮助的；
  
  5）在高频环境下工作的有源器件，往往有一个以上的电源引脚，这个时候一定要注意在每个电源的引脚附近（1mm左右）设置单独的去偶电容，容值在100nF左右。在电路板空间允许的情况下，建议每个引脚使用两个去偶电容，容值分别为1nF和100nF。一般使用材质为X5R或者X7R的陶瓷电容。对于同一个RF有源器件，不同的电源引脚可能为这个器件（芯片）中不同的官能部分供电，而芯片中的各个官能部分可能工作在不同的频率上。比如ADF4360有三个电源引脚，分别为片内的VCO、PFD以及数字部分供电。这三个部分实现了完全不同的功能，工作频率也不一样。一旦数字部分低频率的噪音通过电源走线传到了VCO部分，那么VCO输出频率则可能被这个噪音调制，出现难以消除的杂散。为了防止这样的情况出现，在有源RF器件的每个官能部分的供电引脚除了使用单独的去偶电容外，还必须经过一个电感磁珠（10uH左右）再连到一起。这种设计对于那些包含了LO缓冲放大和RF缓冲放大的有源混频器LO-RF、LO-IF的隔离性能的提升是非常有利的。

RFpcb设计

PCB随着通信技术的发展,手持无线射频电路技术运用也越来越广,如无线寻呼机、手机、无线PDA等.其中的射频电路的性能指标直接影响整个产品的质量,对于这些掌上产品的一个最大特点就是小型化,而小型化也就意味着元器件的密度很大,表面贴装工艺SMT和板载芯片技术COB因而得到广泛应用,元器件:包括SMT、SMC、裸片等,的相互干扰也就十分突出.电磁干扰信号如果处理不当,可能造成整个电路系统的无法正常工作,因此,如何防止和抑制电磁干扰,提高电磁兼容性,就成为设计射频电路PCB时的一个非常重要的课题,同一电路,不同的PCB设计结构,则其性能指标会相差很大,本文讨论采用Protel 99 SE 软件进行掌上产品的射频电路PCB设计时,如何才能最大限度地实现电路的性能指标,从而达到电磁兼容要求.

板材的选择

印制电路板的基材有有机类与无机类两大类,而基材中最重要的性能是介电常数εr ,(影响电路的阻抗以及信号的传输速率)、耗散因子(或称介质损耗)tan  、 热膨胀系数CET和吸湿率:其中___影响电路阻抗及信号传输速率_对于高频电路_介电常数公差是首要考虑的更关键因素,应选择介电常数公差小的基材.

设计流程

由于Protel 99 SE 软件的使用与Protel 98 等软件不同_因此首先简要讨论采用Protel 99 SE软件进行PCB设计的流程

1. 
   ⑴ 由于Protel 99 SE采用的是工程(PROJECT)数据库模式管理,在Protel 98下是隐含的,所以应先建立一个数据库文件用于管理所设计的电路原理图与PCB 版图.
   ⑵ 原理图的设计:为了可以实现网络连接,在进行原理设计前对所用到的元器件都必须在元器件库中存在,否则就在SCHLIB中做出所需的元器件并存入库文件中;然后只需从元器件库中调用所需的元器件根据所设计的电路图进行连接即可.
   ⑶ 原理图设计完成后,即可形成一个网络表以备进行PCB设计时使用.
   ⑷ PCB的设计:
   ① PCB外形及尺寸的确定:根据所设计的PCB在产品的位置、空间的大小、形状以及与其它部件的配合来确定PCB的外形与尺寸.
   ② 根据_N 的要求_在__ 上制作定位孔_视眼_参考点等;
   ③ 元器件的制作: 假如需要使用一些原先元器件库中不存在的特殊元器件,则在布局之前需先进行元器件的制作.
   ④ 元器件制作完成后_就进行布局及布线,这两部分在下面具体进行讨论.
   ⑤ 以上过程完成后,就必须进行检查,这一方面包括电路原理的检查,另一方面还必须检查相互间的匹配及装配问题,电路原理的检查可以人工检查,也可以采用网络自动检查(原理图形成的网络与PCB形成的网络进行比较即可);
   ⑥ 检查无误后,文件就需进行存档,输出网络表.
   ⑸  元器件的布局
   由于SMT一般采用红外炉再流焊来实现元器件的焊接,因而元器件的布局影响到焊点的质量,进而影响到产品的成品率,而对于射频电路PCB设计而言,电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁辐射,并且具有一定的抗电磁干扰能力.因此,元器件的布局还直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力,这也直接关系到所设计电路的性能,因此在进行射频电路PCB设计时除了要考虑普通PCB设计时的布局外,主要还需考虑如何减小射频电路中各部分之间的相互干扰,如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力.根据经验,对于射频电路效果的好坏不仅取决于射频电路板本身的性能指标,很大部分还取决于与CPU处理板间的相互影响,因此,在进行PCB设计时,合理布局显得尤为重要,下面就讨论射频电路PCB的布局问题.

布局总的原则:

元器件应尽可能同一方向排列,通过选择PCB 进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象,根据经验元器件间最少要有0.5mm的间距才能满足元器件的熔锡要求,若PCB板的空间允许,元器件的间距应尽可能宽.对于双面板一般应设计一面为SMT及STM元件,另一面则为分立元件.
布局中应注意:
⑴ 首先确定与其它PCB板或系统的接口元器件在PCB 板上的位置,必须注意接口元器件间的配合问题(如元器件的方向等);
⑵ 因为掌上用品的体积都很小,元器件间排列很紧凑,因此对于体积较大的元器件,就必须考虑相互间的配合问题,所以必须优先考虑,确定出相应的位置.
⑶ 认真分析电路结构,对电路进行分块处理,如高频放大电路,混频电路及解调电路等,尽可能将强电信号和弱电信号分开,将数字信号电路和模拟信号电路分开,完成同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内,从而减小信号环路面积,各部分电路的滤波网络必须就近连接,这样不仅可以减小辐射,并且可以减少被干扰的几率,提高电路的抗干扰能力.
⑷ 根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组.对于电路中易受干扰的部分的元器件在布局时,还应尽量避开干扰源,比如来自数据处理板上CPU 的干扰等.

布线

在基本完成元器件的布局后,就要开始布线,布线的基本原则为:在组装密度许可情况下,尽量选用低密度布线设计,并且信号走线尽量粗细一致,有利于阻抗匹配.
对于射频电路,信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计,可能造成信号传输线之间的交叉干扰;另外,系统电源自身还存在噪声干扰,所以在设计射频电路PCB时一定要综合考虑,合理布线.
布线时,所有走线应远离PCB 板的边框2mmJ左右,以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患.电源线要尽可能宽,以减少环路电阻,同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,以提高抗干扰能力.所布信号线应尽可能短,并尽量减少过孔数目,各元器件间的连线越短越好,以减少分布参数和相互间的电磁干扰,对于不相容的信号线应尽量相互远离,而且尽量避免平行走线,而在正反两面的信号线应相互垂直布线时在需要拐角的地方应以130度角为宜,避免拐直角.
布线时与焊盘直接相连的线条不宜太宽,走线应尽量离开不相连的元器件,以免短路,过孔不宜画在元器件上,且应尽量远离不相连的元器件,以免在生产中出现虚焊、连焊、短路等现象.
在射频电路PCB设计中,电源线和地线的正确布线显得尤其重要,合理的设计是克服电磁干扰的最重要的手段,PCB上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大.
地线容易形成电磁干扰的主要原因在于地线存在阻抗,当有电流流过地线时,就会在地线上产生电压,从而产生地线环路电流,形成地线的环路干扰,当多个电路共用一段地线时,就会形成公共阻抗耦合,从而产生了所谓的地线噪声,因此在射频电路PCB设计中地线的布线应该做到.
⑴ 首先对电路进行分块处理,射频电路基本上可分成高频放大、混频、解调、本振等部分,在进行射频电路PCB设计时,为各个电路模块提供一个公共电位参考点即各模块电路各自的地线,这样信号就可以在不同的电路模块之间传输.然后汇总于射频电路PCB接入地线的地方,即汇总于总地线,由于只存在一个参考点,因此没有公共阻抗耦合存在,从而也就没有相互干扰问题;
⑵ 数字区与模拟区尽可能以地线进行隔离,并且数字地与模拟地要分离,最后接于电源地.
⑶ 在各部分电路内部的地线也要注意单点接地原则,尽量减小信号环路面积,并与相应的滤波电路的地线就近相接.
⑷ 各模块电路之间在空间允许的情况下最好能以地线进行隔离,防止相互之间的信号耦合效应.

结论

射频电路PCB设计的关键在于,如何减少辐射能力以及如何提高抗干扰能力,合理的布局与布线则是设计射频电路PCB的保证,本文中所述的方法有利于提高射频电路PCB的设计的可靠性,从而解决好电磁干扰问题,进而达到电磁兼容性.