試論射頻電路PCB設計的困境和改善措施

李 鏗

（南京熊貓漢達科技有限公司,江蘇南京,210000）

試論射頻電路PCB設計的困境和改善措施

李 鏗

（南京熊貓漢達科技有限公司,江蘇南京,210000）

PCB設計對于電路設計而言越來越重要。但不少設計者往往只注重原理設計，而對PCB板的設計布局考慮不多，因此在完成的電路設計中常會出現EMC問題。文中從射頻電路的特性出發，闡述了射頻電路PCB設計中需要注意的一些問題。

PCB設計；射頻電路；常見問題

0 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，對于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。對于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。而對于微波以上頻段的RF電路， 則往往需要更多版本的 PCB 設計并不斷完善， 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。

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干擾

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。這主要是因為數字信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。由于較大的振幅和較短的切換時間， 使得這些數字信號包含大量且獨立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無線調諧回路傳到無線設備接收部分的信號一般小于1μV。因此數字信號與射頻信號之間的差別會達到 120 dB。顯然，如果不能使數字信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。

1.2供電電源的噪聲干擾

射頻電路對于電源噪聲相當敏感， 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， 這是由于現代微控制器都采用CMOS工藝制造。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。如果不采取合適的電源去耦， 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。

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。對于數字電路設計，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。如果不采用地線層， 大多數地線將會較長， 電路將無法具有設計的特性。

1.4天線對其他模擬電路部分的輻射干擾

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二極管內自激，從而引起 ADC 偏差。

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）盡可能地把高功率 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。

（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。

（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盡可能遠離高速數字信號和 RF信號。

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。

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于 RF 路徑上的元器件并調整其方向， 以便將RF 路徑的長度減到最小， 使輸入遠離輸出， 并盡可能遠地分離高功率電路和低功率電路。

（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，并盡可能將 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， 并可減少 RF 能量泄漏到層疊板內其他區域的機會。

（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 信號相互干擾， 因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與 IF跡線應盡可能十字交叉， 并盡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 設計中占大部分時間的原因。

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盡可能寬的大電流線， 以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗， 需要采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， 那么高功率噪聲將會輻射到整塊板上， 并帶來多種的問題。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。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞情況下，如果放大器和緩沖器的輸出以適當的相位和振幅反饋到它們的輸入端， 那么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， 并將噪音和互調信號添加到RF 信號上。

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，不同于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于構建新一代的以太網測控系統，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，并使人們的生活方式發生深刻的變化。

[1]徐高潮,胡亮,付曉東.計算機網絡[M].長春:吉林大學出版社,2002.

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[3]何立民. MS- 51 系列單片機應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999.

On the dilemma and improvement measures of RF circuit PCB design

Li Keng
（Nanjing Panda Electronic Co Ltd, Jiangsu Nanjing, 210000）

PCB design is more and more important for circuit design. But many designers often focus only on the design principle, design and layout of the PCB board is not much given, so the EMC problem arises in the designed circuit. Starting from the characteristics of RF circuit, this paper expounds some problems needing attention in RF circuit PCB design.

PCB design; RF circuit; common problems