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EDA365:RF電路設計原則是什麼?設計中這些問題你都遇到過嗎?

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引言

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(包括低頻和低頻數位電路),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類數位電路。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電路設計上的困難。

EDA365:RF電路設計原則是什麼?設計中這些問題你都遇到過嗎?

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RF電路設計的常見問題

2.1 數位電路模組和類比電路模組之間的干擾

如果類比電路(射頻)和數位電路單獨工作,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。這主要是因為數字訊號頻繁地在地和正電源(》3 V)之間擺動,而且週期特別短,常常是納秒級的。由於較大的振幅和較短的切換時間。使得這些數字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裝置接收部分的訊號一般小於lμV。因此數字訊號與射頻訊號之間的差別會達到120 dB。顯然.如果不能使數字訊號與射頻訊號很好地分離。微弱的射頻訊號可能遭到破壞,這樣一來,無線裝置工作效能就會惡化,甚至完全不能工作。

2.2 供電電源的噪聲干擾

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週期內短時間突然吸人大部分電流,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lMHz的內部時鐘頻率執行,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。

2.3 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。對於數位電路設計,即使沒有地線層,大多數數位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l nH,433 MHz時10 toni 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。

2.4 天線對其他類比電路部分的輻射干擾

在PCB電路設計中,板上通常還有其他類比電路。例如,許多電路上都有模,數轉換(ADC)或數/模轉換器(DAC)。射頻傳送器的天線發出的高頻訊號可能會到達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訊號。如果ADC輸入端的處理不合理,RF訊號可能在ADC輸入的 ESD二極體內自激。從而引起ADC偏差。

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RF電路設計原則及方案

3.1 RF佈局概念

在設計RF佈局時,必須優先滿足以下幾個總原則:

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:

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;

電路和電源去耦同樣也極為重要;

RF輸出通常需要遠離RF輸入;

敏感的模擬訊號應該儘可能遠離高速數字訊號和RF訊號。

3.2 物理分割槽和電氣分割槽設計原則

設計分割槽可以分解為物理分割槽和電氣分割槽。物理分割槽主要涉及元器件佈局、方向和遮蔽等;電氣分割槽可以繼續分解為電源分配、RF走線、敏感電路和訊號以及接地等的分割槽。

3.2.1物理分割槽原則

元器件位置佈局原則。元器件佈局是實現一個優秀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。

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線佈置在表層上。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。

射頻器件及其RF佈線佈局原則。在物理空間上,像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個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訊號相互干擾.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的效能非常重要,這就是元器件佈局通常在蜂窩電話PCB設計中佔大部分時間的原因。

降低高/低功率器件干擾耦合的設計原則。在蜂窩電話PCB上,通常可以將低噪音放大器電路放在PCB的某一面,而將高功率放大器放在另一面,並最終透過雙工器把它們在同一面上連線到RF端和基帶處理器端的天線上。要用技巧來確保通孔不會把RF能量從板的一面傳遞到另一面,常用的技術是在二面都使用盲孔。可以透過將通孔安排在PCB板二面都不受RF干擾的區域來將通孔的不利影響減到最小。

3.2.2電氣分割槽原則

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,佈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。

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遮蔽罩。

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盪。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,並將噪音和互調訊號新增到RF訊號上。

濾波器輸入,輸出隔離原則。如果射頻訊號線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端,那麼,這可能會嚴重損害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出良好地隔離。首先必須在濾波器周圍佈置一圈地。其次濾波器下層區域也要佈置一塊地,並與圍繞濾波器的主地連線起來。把需要穿過濾波器的訊號線儘可能遠離濾波器引腳也是個好方法。此外,整塊板上各個地方的接地都要十分小心,否則可能會在不知覺之中引入一條不希望發生的耦合通道。

數位電路和類比電路隔離。在所有PCB設計中,儘可能將數位電路遠離類比電路是一條總的原則,它同樣適用於RF PCB設計。公共模擬地和用於遮蔽和隔開訊號線的地通常是同等重要的,由於疏忽而引起的設計更改將可能導致即將完成的設計又必須推倒重來。同樣應使RF線路遠離模擬線路和一些很關鍵的數字訊號.所有的RF走線、焊盤和元件周圍應儘可能多地填接地銅皮.並儘可能與主地相連。如果RF走線必須穿過訊號線,那麼儘量在它們之間沿著RF走線佈置一層與主地相連的地。如果不可能,一定要保證它們是十字交叉的.這可將容性耦合減到最小,同時儘可能在每根RF走線周圍多布一些地,並把它們連到主地。此外。將並行RF走線之間的距離減到最小可使感性耦合減到最小。

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結束語

迅速發展的射頻積體電路為從事各類無線通訊的工程技術人員提供了廣闊的前景。但同時,射頻電路的設計要求設計者具有一定的實踐經驗和工程設計能力。本文總結的一些經驗可以幫助射頻積體電路開發者縮短開發週期.避免走不必要的彎路,節省人力物力。