RF 电路板分区设计中 PCB 布局布线技巧

                 RF 电路板分区设计中 PCB 布局布线技巧

 

    今天的蜂窝电话设计以各种方式将所有的东西集成在一起， 这对 RF 电路板设计来说很不利。 现在业界竞争非常激烈，人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。模 拟、数字和 RF 电路都紧密地挤在一起，用来隔开各自问题区域的空间非常小，而且考虑到 成本因素，电路板层数往往又减到最小。令人感到不可思议的是，多用途芯片可将多种功 能集成在一个非常小的裸片上，而且连接外界的引脚之间排列得又非常紧密，因此 RF、IF、 模拟和数字信号非常靠近，但它们通常在电气上是不相干的。电源分配可能对设计者来说 是一个噩梦，为了延长电池寿命，电路的不同部分是根据需要而分时工作的，并由软件来 控制转换。这意味着你可能需要为你的蜂窝电话提供 5 到 6 种工作电源。 在设计 RF 布局时，有几个总的原则必须优先加以满足： 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。如果你的 PCB 板上有很多物理空间，那么你可以 很容易地做到这一点，但通常元器件很多，PCB 空间较小，因而这通常是不可能的。你可以 把他们放在 PCB 板的两面，或者让它们交替工作，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。稍后， 我们将讨论如何根据需要打破这个设计原则，以及如何避免由此而可能引起的问题。 芯片和电源去耦同样也极为重要，稍后将讨论实现这个原则的几种方法。 RF 输出通常需要远离 RF 输入，稍后我们将进行详细讨论。 敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和 RF 信号。 如何进行分区？ 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。 首先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。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蜂窝 电话 PCB 板设计中占大部分时间的原因。 在蜂窝电话 PCB 板上，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，但金属屏蔽罩也存在问题，例如：自身成本和装配成本都 很贵； 外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使元器 件布局受到一些限制；金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位；由于金属屏蔽罩必须焊 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。 尽管有以上的问题，但是金属屏蔽罩非常有效，而且常常还是隔离关键电路的唯一解决方 案。 此外，恰当和有效的芯片电源去耦也非常重要。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)。 最小电容值通常取决于其自谐振频率和低引脚电感，C4 的值就是据此选择的。C3 和 C2 的 值由于其自身引脚电感的关系而相对较大一些，从而 RF 去耦效果要差一些，不过它们较适 合于滤除较低频率的噪声信号。电感 L1 使 RF 信号无法从电源线耦合到芯片中。记住：所 有的走线都是一条潜在的既可接收也可发射 RF 信号的天线，另外将感应的射频信号与关键 线路隔离开也很必要。 这些去耦元件的物理位置通常也很关键，这几个重要元件的布局原则是：C4 要尽可能靠近 IC 引脚并接地，C3 必须最靠近 C4，C2 必须最靠近 C3，而且 IC 引脚与 C4 的连接走线要尽 可能短，这几个元件的接地端(尤其是 C4)通常应当通过下一地层与芯片的接地引脚相连。 将元件与地层相连的过孔应该尽可能靠近 PCB 板上元件焊盘，最好是使用打在焊盘上的盲 孔以将连接线电感减到最小，电感应该靠近 C1。 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，如果该芯片周围没有足够空间的话，那么可能会遇到一些麻烦。 记住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。
    电气分区原则大体上与物理分区相同，但还包含一些其它因素。现代蜂窝电话的某些部分 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。这意味着蜂窝电话 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。 蜂窝电话里大多数电路的直流电流都相当小，因此走线宽度通常不是问题，不过，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。

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