高頻寬帶AGC系統電路PCB設計

李飚 劉春群

摘 ?要：為了使高頻寬帶AGC系統電路達到各項設計指標要求，文章根據電磁兼容和阻抗匹配理論，結合本系統電路的特點，對系統硬件電路的基板選取、電磁兼容和阻抗匹配進行設計。通過分析對比，基板選取低型PTFE樹脂基板。從接地、布局布線、去耦合和旁路、寄生天線等幾方面來進行AGC系統的PCB電磁兼容設計。采用純電阻阻抗匹配網絡和傳輸線變壓器匹配器來實現傳輸匹配。測試結果顯示AGC系統電路各項指標均符合設計要求，表明AGC系統電路PCB的設計是合理有效的。

關鍵詞：AGC系統;電磁兼容;阻抗匹配;PCB設計

中圖分類號：TN702 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）35-0065-03

系統電路原理的設計只是系統在原理上實現所能達到的理論性能，在進行系統硬件設計時必須考慮基板板材、電磁兼容、傳輸阻抗匹配等諸多因素的影響，如果不對這些因素加以考慮，系統的實際性能就會受到影響，有時甚至使系統實際性能無法滿足設計要求[1]，尤其是對工作于高頻和寬帶的系統。因此，在對工作于接收機射頻前端的高頻寬帶自動增益控制（Automatic gain control，簡稱AGC）系統硬件電路進行設計時必須對這些因素加以考慮。

本設計的主要設計指標：頻率范圍900～990 MHz;輸入信號功率動態范圍：-50～10 dBm;輸出信號功率平坦度：≤±3dB。下面主要就基板板材、電磁兼容、傳輸阻抗匹配等幾個方面展開討論如何對本AGC系統硬件電路進行PCB設計。

1 ?PCB基板的選取

為了實現高速、高質量傳輸信號，高頻電路對PCB基板的特性要求主要有三大方面[1]：①對信號具有傳輸損失小、傳輸延遲短、信號失真小;②具有優良、穩定的介電特性;③特性阻抗Z0高精度可控制，高頻微波PCB基板的傳輸特性阻抗Z0直接影響著信號的傳輸質量。要滿足上述三大特性要求，則PCB基板必須具備低相對介電常數εr和低介質損失因素tanδ。

不同基板材料在不同頻率下的相對介電常數εr和介質tanδ損失因素的變化情況如圖1和圖2所示。不同基板材料在不同溫度下的相對介電常數εr和介質tanδ損失因素的變化情況[2～3]如圖3和圖4所示。

選擇高頻電路PCB板材要從基板的基本電性能、應用加工性能、和成本三方面入手。根據臺灣PCB業界統計，當前PCB的制造成本占電子產品成品的8%～12%，甚至超過12%[2]。因此，綜合成本、不同材料基板的介電特性（相對介電常數εr和介質tanδ損失因素）和應用加工性能三方面考慮，本設計選取低εr型PTFE樹脂基板材料板材來進行設計。

2 ?PCB的電磁兼容設計

微波系統電路的PCB設計與低頻電路有很大的區別，主要是微波電路較易受電磁干擾和存在傳輸損耗等因素的影響，設計時如果對這些方面不加以綜合考慮，設計結果將很難達到系統性能指標的要求。因此，本節主要對電磁兼容（主要是電磁干擾）展開討論。下面將結合本設計從接地、布局布線、去耦合和旁路、寄生天線等幾方面來討論自動增益控制系統的PCB電磁兼容設計。

2.1 ?接地設計

理想的地是沒有阻抗的，各接地點之間沒有電位差，只是起到信號回路的作用。但是實際的地都會有阻抗，所以各接地點之間都不可避免的存在電位差，這些電位不同的接地點就構成地環路，當其中有交變磁場通過時就會產生環路電流，這些環路電流疊加在有用信號上形成干擾。所以，接地設計要從消除地環路或減小地環路面積方面進行考慮[3]。

本自動增益控制系統主要分為三大版塊：電源、控制環路和微波通路。根據地環路干擾和天線效應形成原理，電源、控制環路采用單點接地方式，微波通路采用多點就近接地方式，使地環路面積盡可能的小和接地線都盡可能的短寬。PCB底面作為整個地面，同時要避免在地面上開槽形成間隙。

2.2 ?元器件的選擇和布局布線設計

微波頻段的電路在選取電路元件時要考慮寄生參數對系統性能的影響，要盡可能的減少電路元件的寄生參數。貼片封裝元器件在減少寄生參數方面比其他封裝形式的元器件要好，故本設計所有電容、電阻、電感、變壓器、功分器采都用0402、0603、0805貼片封裝元件，集成芯片全部選用貼片封裝。

為縮短元器件間的引線以減小分布參數、傳輸損耗、干擾等，元器件主要按電路功能劃分版塊，圍繞核心芯片布局，盡量均勻排列、緊湊、整齊，并與信號傳輸方向保持一致。

對高頻電路布線時主要從避免電路產生電磁輻射、串擾和保持低阻抗等方面考慮。因此，在布線設計時要遵循下列原則：信號線、地線、電源線要盡可能的短寬、線寬線距保持均勻，信號線避免長距離走線、開叉、彎折和相交;同時信號線用地線進行屏蔽，防止其受到干擾;信號線間距要遵循3 W原則（線間距為線寬的3倍），一般線路至少要遵循2 W原則（線間距為線寬的2倍）;當線路拐彎不可避免時線路不允許有拐角小于等于90 °，拐角應取145 °或圓弧形，圓弧形彎角半徑要大于2 mm[1～234][6]。

2.3 ?去耦合和旁路

為防止射頻能量從一個電路轉移入另一個電路中，采取去耦合和旁路是較為有效的方法，主要是在電源和集成芯片各電源端采取去藕合和旁路設計。結合本設計大帶寬的要求，設計時為了減小分布參數降低噪聲和適應大帶寬的要求，在電源及芯片各電源端處采用電容值相差兩個數量級以上的去耦電容，同時在每個鉭電解電容附近旁加一個小電容值的高頻旁路電容，這些電容都盡量靠近芯片放置。

2.4 ?寄生天線

由于寄生天線的存在，電子設備或系統才會產生電磁輻射干擾。關于基本天線結構的示意圖如圖5所示，只要存在電流環路或者兩個電壓驅動的互相靠近的導體就可以構成天線。當天線中有交變電流通過時就會向外產生電磁輻射，形成電磁干擾源，而天線的尺寸為波長的λ/4時這種輻射將變得更加明顯[1][4]。

可見，同時具備天線結構和通過天線的交變電流是產生電磁輻射干擾的兩個必要因素，為消除或減小電磁輻射就必須從這兩個因素入手。

本設計在設計時主要注意下面幾個方面：避免孤立未良好接地導體的存在，如孤立銅皮、導線等;PCB的表面敷銅要保證良好接地;盡最大限度的減少布線時形成的環路通路的面積。

3 ?阻抗匹配設計

根據射頻微波電路理論，要使信號能夠從輸入端沿著傳輸線順利的傳輸到接收端且被接收端完全吸收而不被反射，傳輸線的阻抗就必須滿足與輸入端和輸出端阻抗相等，即要滿足阻抗匹配要求。

阻抗匹配網絡的設計方法主要有：集總參數匹配、分布參數匹配和變壓器匹配等。集總參數匹配網絡可分為無損耗匹配網絡和有損耗匹配網絡。無損耗匹配網絡由L、C無耗元件構成，LC匹配網絡雖然沒有損耗，但是只適用于窄帶網絡匹配，而不適用于寬帶，而且隨著頻率的增大分布參數效應也越明顯。由純電阻組成的有損匹配網絡近似和頻率無關，因此可以滿足大帶寬系統的阻抗匹配要求，但會帶來平均11.5 dB的損耗[5]。分布參數匹配器主要是傳輸線匹配器，傳輸線阻抗變換器具有結構簡單、轉換效率高的特點，但是在頻率不夠高時的波長結構尺寸（例如λ/4波長）比較大，比如1 GHz頻率時的λ/4波長結構尺寸大約為10 cm，這顯然不利于設備的小型化要求。傳輸線變壓器匹配器是用傳輸線纏繞在變壓器磁芯上而制成，它具有集總參數變壓器和傳輸線的優點，通頻帶寬可以做得比較寬[6]。

綜合上述分析，結合本設計電路的特點，本設計采用純電阻阻抗匹配網絡和傳輸線變壓器匹配器來實現傳輸匹配。

4 ?硬件測試

系統硬件電路的PCB設計是否合理有效，最行之有效的方法是按照各項設計指標要求來進行指標測試，看測試結果是否符合設計指標的要求。下面就根據設計指標要求來進行測試驗證：把信號發生器輸出的信號輸入到系統電路，用頻譜儀來觀測AGC系統輸出信號的頻譜和功率。如圖6所示，在輸入信號為900 MHz，功率為-30 dBm時，用頻譜儀測得輸出信號功率為-17.17 dBm。在其他頻點上的測試結果，見表1。

根據測試結果可知，在60 dB輸入動態范圍內和900～990 MHz頻段，AGC系統輸出信號功率平坦度為≤±1.5dB，輸出能保持穩定。

5 ?結 ?語

測試結果顯示，AGC系統電路各項指標均符合設計要求。表明AGC系統電路PCB的設計是合理有效的。但輸出信號平坦度在90 MHz帶寬范圍內還不夠理想，特別是在高頻點處和低輸入信號功率點處的平坦度明顯變差，為此，可以考慮進一步改進阻抗匹配和提高電磁兼容性，以及放入金屬腔體進行屏蔽等措施來進一步改善。

參考文獻：

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