射频pcb板布线布局经验.doc

1、 射频 PCB 板布线布局经验 随着射频电子产品的突飞猛进，求日益曾高,伴随着一轮蓝牙设备、蜂窝电话和 3G 时代来临,使得工程师越来越关注 RF 电路的设计技巧。射频 (RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，但是，电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的法则。不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准确地实施时如何对它们进行折中处理。当然，有许多重要的 RF 设计课题值得讨论，包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板以及波长和驻波，所以这些对射频的 EMC、EMI 影响都很大，下面就对射频 PCB 板的在设计 RF 布局时必须满足的条件加以总结：

2、一：尽可能地把高功率 RF 放大器(HPA) 和低噪音放大器 (LNA)隔离开来，简单地说，就是让高功率 RF 发射电路远离低功率 RF 接收电路。射频功能比较多、元器件很多，但是 PCB 空间较小，同时考虑到布线的设计过程限定最高，所有的这一些对设计技巧的要求就比较高。这时候可能需要设计四层到六层PCB 了，让它们交替工作，而不是同时工作。高功率电路有时还可包括 RF 缓冲器和压控制振荡器(VCO)。确保 PCB 板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜皮越多越好。敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和 RF 信号。二：设计分区可以分解为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及

3、元器件布局、朝向和屏蔽等问题；电气分区可以继续分解为电源分配、RF 走线、敏感电路和信号以及接地等的分区。三：我们讨论物理分区问题。元器件布局是实现一个优秀 RF 设计的关键，最有效的技术是首先固定位于 RF 路径上的元器件，并调整其朝向以将 RF 路径的长度减到最小，使输入远离输出，并尽可能远地分离高功率电路和低功率电路。最有效的电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下的第二层，并尽可能将 RF 线走在表层上。将 RF 路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感，而且还可以减少主地上的虚焊点，并可减少 RF 能量泄漏到层叠板内其他区域的机会。在物理空间上，像多级放大器这样的线性电路通

4、常足以将多个RF 区之间相互隔离开来，但是双工器、混频器和中频放大器/混频器总是有多个 RF/IF 信号相互干扰，因此必须小心地将这一影响减到最小。四：RF 与 IF 走线应尽可能走十字交叉，并尽可能在它们之间隔一块地。正确的 RF 路径对整块 PCB 板的性能而言非常重要，这也就是为什么元器件布局通常在射频 PCB 板设计中占大部分时间的原因。在射频 PCB 板设计上，通常可以将低噪音放大器电路放在 PCB 板的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最终通过双工器把它们在同一面上连接到 RF 端和基带处理器端的天线上。需要一些技巧来确保直通过孔不会把 RF 能量从板的一面传递到另一面，常用的技

5、术是在两面都使用盲孔。可以通过将直通过孔安排在 PCB 板两面都不受RF 干扰的区域来将直通过孔的不利影响减到最小。有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离，在这种情况下就必须考虑采用金属屏蔽罩将射频能量屏蔽在 RF 区域内，金属屏蔽罩必须焊在地上，必须与元器件保持一个适当距离，因此需要占用宝贵的 PCB 板空间。尽可能保证屏蔽罩的完整非常重要，进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层，而且最好走线层的下面一层 PCB 是地层。RF 信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和地缺口处的布线层上走出去，不过缺口处周围要尽可能地多布一些地，不同层上的地可通过多个过孔连在一起。五：恰当和有效的芯片电源

6、去耦也非常重要。许多集成了线性线路的 RF芯片对电源的噪音非常敏感，通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的电源噪音。一块集成电路或放大器常常带有一个开漏极输出，因此需要一个上拉电感来提供一个高阻抗 RF 负载和一个低阻抗直流电源，同样的原则也适用于对这一电感端的电源进行去耦。有些芯片需要多个电源才能工作，因此你可能需要两到三套电容和电感来分别对它们进行去耦处理，电感极少并行靠在一起，因为这将形成一个空芯变压器并相互感应产生干扰信号，因此它们之间的距离至少要相当于其中一个器件的高度，或者成直角排列以将其互感减到最小。六：气分区原则大体上与物理分区相同，但还包含一些其它因

7、素。射频的某些部分采用不同工作电压，并借助软件对其进行控制，以延长电池工作寿命。这意味着射频需要运行多种电源，而这给隔离带来了更多的问题。电源通常从连接器引入，并立即进行去耦处理以滤除任何来自线路板外部的噪声，然后再经过一组开关或稳压器之后对其进行分配。必须为高功率放大器的电源单独走一条尽可能宽的大电流线，以将传输压降减到最低。为了避免太多电流损耗，需要采用多个过孔来将电流从某一层传递到另一层。此外，如果不能在高功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去耦，那么高功率噪声将会辐射到整块板上，并带来各种各样的问题。高功率放大器的接地相当关键，并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。在大多数情况下，同样关键

8、的是确保 RF 输出远离 RF 输入。这也适用于放大器、缓冲器和滤波器。在最坏情况下，如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的输入端，那么它们就有可能产生自激振荡。在最好情况下，它们将能在任何温度和电压条件下稳定地工作。实际上，它们可能会变得不稳定，并将噪音和互调信号添加到 RF 信号上。如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端，这可能会严重损害滤波器的带通特性。为了使输入和输出得到良好的隔离，首先必须在滤波器周围布一圈地，其次滤波器下层区域也要布一块地，并与围绕滤波器的主地连接起来。把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器引脚也是个好方法。此外，整块板上各个地方的接地都要

9、十分小心，否则会在引入一条耦合通道。有时可以选择走单端或平衡 RF 信号线，有关交叉干扰和 EMC/EMI 的原则在这里同样适用。平衡 RF 信号线如果走线正确的话，可以减少噪声和交叉干扰，但是它们的阻抗通常比较高，而且要保持一个合理的线宽以得到一个匹配信号源、走线和负载的阻抗，实际布线可能会有一些困难。缓冲器可以用来提高隔离效果，因为它可把同一个信号分为两个部分，并用于驱动不同的电路，特别是本振可能需要缓冲器来驱动多个混频器。当混频器在 RF 频率处到达共模隔离状态时，它将无法正常工作。缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化，从而电路之间不会相互干扰。缓冲器对设计的帮助很大，它们可以紧跟在

10、需要被驱动电路的后面，从而使高功率输出走线非常短，由于缓冲器的输入信号电平比较低，因此它们不易对板上的其它电路造成干扰。压控振荡器(VCO)可将变化的电压转换为变化的频率，这一特性被用于高速频道切换，但它们同样也将控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化，而这就给 RF 信号增加了噪声。七：突出引线存在抽头电感，要避免使用有引线的组件。高频环境下，最好使用表面安装组件。八：对信号过孔而言，要避免在敏感板上使用过孔加工(pth)工艺，因为该工艺会导致过孔处产生引线电感。九：要提供丰富的接地层。要采用模压孔将这些接地层连接起来防止 3 维电磁场对电路板的影响。十 要选择非电解镀镍或浸镀金工艺，不要

11、采用 HASL 法进行电镀。这种电镀表面能为高频电流提供更好的趋肤效应(图 2)。此外，这种高可焊涂层所需引线较少，有助于减少环境污染。十一：阻焊层可防止焊锡膏的流动。但是，由于厚度不确定性和绝缘性能的未知性，整个板表面都覆盖阻焊材料将会导致微带设计中的电磁能量的较大变化。一般采用焊坝(solder dam)来作阻焊层。的电磁场。这种情况下，我们管理着微带到同轴电缆之间的转换。在同轴电缆中，地线层是环形交织的，并且间隔均匀。在微带中，接地层在有源线之下。这就引入了某些边缘效应，需在设计时了解、预测并加以考虑。当然，这种不匹配也会导致回损，必须最大程度减小这种不匹配以避免产生噪音和信号干扰。十二

12、：电磁兼容性设计 电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。 12.1 合理的导线宽度由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而粗的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能地短。对于分立元件电路，印制导线宽度在 1.5mm 左右时，即可完全满

13、足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在 0.21.0mm 之间选择。12.2 确的布线策略采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。12.3 为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。12.4 为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意以下几点： （1 ）尽量减少

14、印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于 90 度禁止环状走线等。 （2 ）时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，驱动器应紧挨着连接器。 （3 ）总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧紧挨着连接器。 （4 ）数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。 （5）在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应按照图 1 的方式排列器件。12.5 抑制反射干扰为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要

15、时可加终端匹配，即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验，对一般速度较快的 TTL 电路，其印制线条长于 10cm 以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。12.6 电路板设计过程中采用差分信号线布线策略布线非常靠近的差分信号对相互之间也会互相紧密耦合，这种互相之间的耦合会减小 EMI 发射，通常(当然也有一些例外)差分信号也是高速信号，所以高速设计规则通常也都适用于差分信号的布线，特别是设计传输线的信号线时更是如此。这就意味着我们必须非常谨慎地设计信号线的布线，以确保信号线的特征阻抗沿信号线各处连续并且保持一个常数。在差分线对的布局布线过程中，我们希望差分线对中的两个 PCB 线完全一致。这就意味着，在实际应用中应该尽最大的努力来确保差分线对中的 PCB 线具有完全一样的阻抗并且布线的长度也完全一致。差分 PCB 线通常总是成对布线，而且它们之间的距离沿线对的方向在任意位置都保持为一个常数不变。通常情况下，差分线对的布局布线总是尽可能地靠近。