高速PCB设计指南 第六篇RF产品设计过程中降低信号耦合的PCB布线技巧 轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注RF电 路设计技巧。RF电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分,如想一次获得成功,仔 细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。 射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性,因此常被形容为一种“黑色艺 术”,但这个观点只有部分正确,RF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衷处理 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,不过,本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题。 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、I 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。 RF布局概念 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。 二、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)安排在表层下的箅二层,并尽可熊将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,高速 PCB 设计指南 - 6 - 第六篇 RF 产品设计过程中降低信号耦合的 PCB 布线技巧 一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注 RF 电 路设计技巧。RF 电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分，如想一次获得成功，仔 细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。 射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，因此常被形容为一种“黑色艺 术”，但这个观点只有部分正确，RF 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衷处理。 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，不过，本文将集中探讨与 RF 电路板分区设计有关的各种问题。 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。 一、RF 布局概念 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。 二、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