射頻電路具有哪些基本特性？及如何實(shí)現(xiàn)前端的設(shè)計(jì)？

由于射頻(RF)電路為分布參數(shù)電路，在電路的實(shí)際工作中容易產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和耦合效應(yīng)，所以在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)電路中的干擾輻射難以控制。

如：數(shù)字電路和模擬電路之間相互干擾、供電電源的噪聲干擾、地線不合理帶來(lái)的干擾等問(wèn)題。

正因?yàn)槿绱?，如何在PCB的設(shè)計(jì)過(guò)程中，權(quán)衡利弊尋求一個(gè)合適的折中點(diǎn)，盡可能地減少這些干擾，甚至能夠避免部分電路的干涉，是射頻電路PCB設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

文中從PCB的LAYOUT角度，提供了一些處理的技巧，對(duì)提高射頻電路的抗干擾能力有較大的用處。

一 RF布局

這里討論的主要是多層板的元器件位置布局。

元器件位置布局的關(guān)鍵是固定位于RF路徑上的元器件，通過(guò)調(diào)整其方向，使RF路徑的長(zhǎng)度最小，并使輸入遠(yuǎn)離輸出，盡可能遠(yuǎn)地分離高功率電路和低功率電路，敏感的模擬信號(hào)遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)。

在布局中常采用以下一些技巧：

1 一字形布局

RF主信號(hào)的元器件盡可能采用一字形布局，如圖1所示。

但是由于PCB板和腔體空間的限制，很多時(shí)候不能布成一字形，這時(shí)候可采用L形，最好不要采用U字形布局(如圖2所示)，有時(shí)候?qū)嵲诒苊獠涣说那闆r下，盡可能拉大輸入和輸出之間的距離，至少1.5cm以上。

一、射頻電路中元器件封裝的注意事項(xiàng)

成功的 RF 設(shè)計(jì)必須仔細(xì)注意整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中每個(gè)步驟及每個(gè)細(xì)節(jié)，這意味著必須在設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就要進(jìn)行徹底的、仔細(xì)的規(guī)劃，并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)步驟的進(jìn)展進(jìn)行全面持續(xù)的評(píng)估。而這種細(xì)致的設(shè)計(jì)技巧正是國(guó)內(nèi)大多數(shù)電子企業(yè)文化所欠缺的。

近幾年來(lái)，由于藍(lán)牙設(shè)備、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)設(shè)備，和移動(dòng)電話的需求與成長(zhǎng)，促使業(yè)者越來(lái)越關(guān)注 RF 電路設(shè)計(jì)的技巧。從過(guò)去到現(xiàn)在，RF 電路板設(shè)計(jì)如同電磁干擾(EMI)問(wèn)題一樣，一直是工程師們最難掌控的部份，甚至是夢(mèng)魘。若想要一次就設(shè)計(jì)成功，必須事先仔細(xì)規(guī)劃和注重細(xì)節(jié)才能奏效。

射頻(RF)電路板設(shè)計(jì)由于在理論上還有很多不確定性，因此常被形容為一種「黑色藝術(shù)」(black art) 。但這只是一種以偏蓋全的觀點(diǎn)，RF 電路板設(shè)計(jì)還是有許多可以遵循的法則。不過(guò)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，真正實(shí)用的技巧是當(dāng)這些法則因各種限制而無(wú)法實(shí)施時(shí)，如何對(duì)它們進(jìn)行折衷處理。重要的 RF 設(shè)計(jì)課題包括：阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長(zhǎng)和諧波 ... 等。

該視頻是描述了射頻電路中，新建電路元器件封裝大小的注意事項(xiàng)。

在 WiFi 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，射頻電路的布線(RF Circuit Layout Guide)是極為關(guān)鍵的一個(gè)過(guò)程。很多時(shí)候，我們可能在原理上已經(jīng)設(shè)計(jì)的很完善，但是在實(shí)際的制板，上件過(guò)后發(fā)現(xiàn)很不理想，實(shí)際上這些都是布線(Layout)做的不夠完善的原因。本文將以一個(gè)無(wú)線網(wǎng)卡的布線實(shí)例及本人的一點(diǎn)工作經(jīng)驗(yàn)為大家講解一下射頻電路在布線中應(yīng)該注意的一些問(wèn)題。

電路板的疊構(gòu)(PCB Stack Up)

在進(jìn)行布線之前，我們首先要確定電路板的疊構(gòu)，就像蓋房子要先有房子的墻壁。電路板的疊構(gòu)的確定與電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，電磁兼容的考慮等很多因素有關(guān)。下圖給出了四層板，六層板和八層板的常用疊構(gòu)方式。

在無(wú)線網(wǎng)卡的 PCB 疊構(gòu)中，基本上不會(huì)出現(xiàn)單面板的情況，所以本文也不會(huì)對(duì)單面板的情況加以討論。

兩層板設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

在四層板的設(shè)計(jì)中，我們一般會(huì)將第二層作為完整的地平面，同時(shí)，也會(huì)把重要的信號(hào)線走在頂層(當(dāng)然包括射頻走線)，以便于很好的控制阻抗。在六層板或者更多層板的設(shè)計(jì)中，我們同樣會(huì)將第二層作為完整的地平面，然后在頂層走最重要的信號(hào)線。

PS：可以使用 Polar 計(jì)算單端阻抗與阻抗等，有些 Layout 軟件自身就集成了阻抗計(jì)算器，如 Allegro。

阻抗控制

在我們進(jìn)行原理設(shè)計(jì)與仿真之后，在 Layout 中很值得注意的一件事情就是阻抗控制。眾所周知，我們應(yīng)該盡量保證走線的特征是 50 歐姆，這主要和線寬有關(guān)，在本實(shí)例中，是兩層半，在 Polar 中采用 Surface Coplanar Line 模型進(jìn)行阻抗的計(jì)算，我們可以得到一組比較理想的值：Height(H)=39.6mil, Track(W)=30mil,Track(W1)=30mil,Thickness=1OZ=1.4mil, Separation(S)=7mil, Dielectric(Er)=4.2，對(duì)應(yīng)的特征阻抗是 52.14 歐姆，符合要求。如下圖中高亮的線就是這樣的一條射頻走線。

本文從射頻界面、小的期望信號(hào)、大的煩擾信號(hào)、相鄰頻道的煩擾四個(gè)方面解讀射頻電路四大基礎(chǔ)特性，并給出了在 PCB 規(guī)劃過(guò)程中需求特別注意的重要要素。深圳市文德豐科技有限公司是一家專(zhuān)業(yè)的pcba工廠。

射頻電路仿真之射頻的界面

無(wú)線發(fā)射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個(gè)部份?；l包括發(fā)射器的輸入信號(hào)之頻率規(guī)模，也包括接收器的輸出信號(hào)之頻率規(guī)模?；l的頻寬決議了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動(dòng)的根本速率?；l是用來(lái)改進(jìn)數(shù)據(jù)流的牢靠度，并在特定的數(shù)據(jù)傳輸率之下，減少發(fā)射器施加在傳輸媒介(transmi ssion medium)的負(fù)荷。

因此，PCB 規(guī)劃基頻電路時(shí)，需求許多的信號(hào)處理工程知識(shí)。發(fā)射器的射頻電路能將已處理過(guò)的基頻信號(hào)轉(zhuǎn)化、升頻至指定的頻道中，并將此信號(hào)注入至傳輸媒體中。相反的，接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得信號(hào)，并轉(zhuǎn)化、降頻成基頻。

發(fā)射器有兩個(gè)首要的 PCB 規(guī)劃政策：

它們有必要盡或許在消耗最少功率的情況下，發(fā)射特定的功率。

它們不能煩擾相鄰頻道內(nèi)的收發(fā)機(jī)之正常運(yùn)作。

就接收器而言，有三個(gè)首要的 PCB 規(guī)劃政策：首要，它們有必要精確地復(fù)原小信號(hào);第二，它們有必要能去除期望頻道以外的煩擾信號(hào);最終一點(diǎn)與發(fā)射器相同，它們消耗的功率有必要很小。

射頻電路仿真之大的煩擾信號(hào)

接收器有必要對(duì)小的信號(hào)很活絡(luò)，即使有大的煩擾信號(hào)(阻擋物)存在時(shí)。這種情況出現(xiàn)在嘗試接收一個(gè)弱小或遠(yuǎn)距的發(fā)射信號(hào)，而其鄰近有強(qiáng)壯的發(fā)射器在相鄰頻道中播送。煩擾信號(hào)或許比等待信號(hào)大 60～70 dB，且可以在接收器的輸入階段以許多掩蓋的方法，或使接收器在輸入階段發(fā)作過(guò)多的噪聲量，來(lái)阻斷正常信號(hào)的接收。假設(shè)接收器在輸入階段，被煩擾源唆使進(jìn)入非線性的區(qū)域，上述的那兩個(gè)問(wèn)題就會(huì)發(fā)作。為防止這些問(wèn)題，接收器的前端有必要是非常線性的。

因此，“線性”也是 PCB 規(guī)劃接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮要素。由于接收器是窄頻電路，所以非線性是以測(cè)量“交調(diào)失真(inte rmodulati on distorTI on)”來(lái)計(jì)算的。這牽涉到運(yùn)用兩個(gè)頻率相近，并位于中心頻帶內(nèi)(in band)的正弦波或余弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，然后再測(cè)量其交互調(diào)變的乘積。大體而言，SPI CE 是一種耗時(shí)耗本錢(qián)的仿真軟件，由于它有必要實(shí)行許屢次的循環(huán)運(yùn)算以后，才華得到所需求的頻率分辨率，以了解失真的現(xiàn)象。

射頻電路仿真之小的期望信號(hào)

接收器有必要很活絡(luò)地偵測(cè)到小的輸入信號(hào)。一般而言，接收器的輸入功率可以小到 1 μV。接收器的活絡(luò)度被它的輸入電路所發(fā)作的噪聲所束縛。因此，噪聲是 PCB 規(guī)劃接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮要素。并且，具有以仿真工具來(lái)猜想噪聲的才干是不可或缺的。

附圖一是一個(gè)典型的超外差(superheterodyne)接收器。接收到的信號(hào)先經(jīng)過(guò)濾波，再以低噪聲擴(kuò)大器(LNA)將輸入信號(hào)擴(kuò)大。然后運(yùn)用第一個(gè)本地振蕩器(LO)與此信號(hào)混合，以使此信號(hào)轉(zhuǎn)化成中頻(IF)。

前端(front-end)電路的噪聲效能首要取決于 LNA、混合器(mixer)和 LO。盡管運(yùn)用傳統(tǒng)的 SPICE 噪聲分析，可以尋找到 LNA 的噪聲，但關(guān)于混合器和 LO 而言，它卻是無(wú)用的，由于在這些區(qū)塊中的噪聲，會(huì)被很大的 LO 信號(hào)嚴(yán)重地影響。

小的輸入信號(hào)要求接收器有必要具有極大的擴(kuò)大功能，一般需求 120 dB 這么高的增益。在這么高的增益下，任何自輸出端耦合(couple)回到輸入端的信號(hào)都或許發(fā)作問(wèn)題。運(yùn)用超外差接收器架構(gòu)的重要原因是，它可以將增益分布在數(shù)個(gè)頻率里，以減少耦合的機(jī)率。這也使得第一個(gè) LO 的頻率與輸入信號(hào)的頻率不同，可以防止大的煩擾信號(hào)“污染 ”到小的輸入信號(hào)。

由于不同的理由，在一些無(wú)線通訊系統(tǒng)中，直接轉(zhuǎn)化(direct convers ion)或內(nèi)差(homodyne)架構(gòu)可以替代超外差架構(gòu)。在此架構(gòu)中，射頻輸入信號(hào)是在單一過(guò)程下直接轉(zhuǎn)化成基頻，因此，大部份的增益都在基頻中，并且 LO 與輸入信號(hào)的頻率相同。

在這種情況下，有必要了解少量耦合的影響力，并且有必要建立起“雜散信號(hào)路徑(stray signal path)”的詳細(xì)模型，比方：穿過(guò)基板(substrate)的耦合、封裝腳位與焊線(bondwire)之間的耦合、和穿過(guò)電源線的耦合。

射頻電路仿真之相鄰頻道的煩擾

失真也在發(fā)射器中扮演著重要的人物。發(fā)射器在輸出電路所發(fā)作的非線性，或許使傳送信號(hào)的頻寬分布于相鄰的頻道中。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“頻譜的再成長(zhǎng)(spectral regrowth)”。在信號(hào)抵達(dá)發(fā)射器的功率擴(kuò)大器(PA)之前，其頻寬被束縛著;但在 PA 內(nèi)的“交調(diào)失真”會(huì)導(dǎo)致頻寬再次增加。

假設(shè)頻寬增加的太多，發(fā)射器將無(wú)法符合其相鄰頻道的功率要求。當(dāng)傳送數(shù)字調(diào)變信號(hào)時(shí)，實(shí)際上，是無(wú)法用 SPICE 來(lái)猜想頻譜的再成長(zhǎng)。由于大約有 1000 個(gè)數(shù)字符號(hào)(symbol)的傳送作業(yè)有必要被仿真，以求得代表性的頻譜，并且還需求結(jié)合高頻率的載波，這些將使 SPICE 的瞬態(tài)分析變得不切實(shí)際。