高频电路及RF电路PCB设计.pdf

高频高频电路电路及及 RF 电路电路 PCB 设计设计 高频高频 PCB 技巧技巧 1)高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须的，也是降低干扰的有效手段。Protel for Windows V1.5 能提供 16 个铜线层和 4 个电源层，合理选择层数能大幅度降低印板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，能更好地实现就近接地，能有效地降低寄生电感，能有效缩短信号的传输长度，能大幅度地降低信号间的交叉干扰等等，所有这些都对高频电路的可靠工作有利。有资料显示，同种材料时，四层板要比双面板的噪声低 20dB。但是，板层数越高，制造工艺越复杂，成本越高。2)高速电路器件管脚间的引线弯折越少越好。高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折，可用 45 度折线或圆弧转折，这种要求在低频电路中仅仅用于提高钢箔的固着强度，而在高频电路中，满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。用 Protel 布线时可在以下两处预先设置，一是在Options菜单的Track Mode子菜单中预约以 4590 Line 或 90 ArcLine 方式布线，二是在Auto菜单的Setup Autorouter项所打开的Routing Passes对话框中选定Add Arcs，以便自动布线结束时使转角圆弧化。3)高频电路器件管脚间的引线越短越好。Protel 满足布线最短化的最有效手段是在自动市线前对个别重点的高速网络进行布线预约。首先，打开Netlst菜单的Edit Net子菜单，会出现一?quot;Change Net对话框，把此对话框中的OptimizeMethod（布线优化模式）选为Shortest（最短化）Rp 可。其次，从整体考虑，元件布局时用Auto中 Placement ToolsShove和Auto中的Density(密度检查)来对比调整，使元件排列紧凑，并配合Netlist菜单中的Length功能和Info菜单中的Lengthof selection功能，对所选定的需最短化的重点网络进行布线长度测量。4)高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好。所谓引线的层间交替越少越好是指元件连接过程中所用的过孔（Via）越少越好，据测，一个过孔可带来约 0.5 pF 的分布电容，减少过孔数能显著提高速度。Protel 软件专门提供了这一功能，它在 Auto 菜单的 Setup Autorouter项所打开的 Routing Passes对话框中，有一个Advanced栏目，把其中的Smoothing设为接通即可。5)高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的交叉干扰，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积地来大幅度减少干扰。同一层内的平行走线几乎无法避免，但是在相邻的两个层，走线的方向务必取为相互垂直，这在 Protel 中不难办到但却容易忽视。在Auto菜单的Setup Autorouter项所打开的 Routing Lagers 对话框中允许对每一层的走线方向进行预定，供预选的方向有三种：quot;Horizontal、Vertical 和 No Preference，不少用户习惯选用No Preference（无特定取向），认为这样布通率高，但是，在高频电路布线中最好在相邻层分别取水平和竖直布线交替进行。同一层内的平行走线无法避免，但可以在印板反面大面积敷设地线来降低干扰（这是针对常用的双面板而言，多层板可利用中间的电源层来实现这一功能），Protel 软件过去只提供了简单的Fill功能来应付这种需求，现在 Windows 下的 Protel 除此之外还在Edit菜单的Place选项中提供了更强大的放置Polygon Plane的功能，即：多边形栅格（条）铜箔面，如果在放置它时就把多边形取为整个印板的一个面，并把此栅格（条）与电路的 GND 网络连通，那么，该功能将能实现整块电路板的某一面的铺铜操作，经过铺铜的电路板除能提高刚才所讲的高频抗干扰能力外，还对散热、印板强度等有很大好处，另外，在电路板金属机箱上的固定处若加上镀锡栅条，不仅可以提高固定强度，保障接触良好，更可利用金属机箱构成合适的公共线。在软件菜单中打开此功能后可见到一个Place Polygon Plane 对话框，它会问你是否要把所放置的多边形栅格（条）与网络接通（connect net），若接通该项，退出对话框时将提示你给出欲接通的网络名，给定接通 GND 网络将能起到屏蔽层的作用。同时还会问你铺铜的图案是用水平条（horizonta）、竖直条（vertica）还是栅格（两者都选即可）。选用栅格将会有较好的屏蔽效果，同时，栅格网的尺寸（习惯称作为目）确定依据所要重点屏蔽的干扰频率而定。6)对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。该措施在Protel 软件中也能自动实现，它就是Edit菜单的Place下的Outline Selected Items，即：绘制所选对象的外轮廓线。利用此功能，可以自动地对所选定的重要信号线进行所谓的包地处理，当然，把此功能用于时钟等单元局部进行包地处理对高速系统也将非常有益。7)各类信号走线不能形成环路，地线也不能形成电流环路。Protel 自动布线的走线原则除了前面所讲的最短化原则外，还有基于 X 方向、基于 Y 方向和菊花状（daisy）走线方式，采用菊花状走线能有效避免布线时形成环路。具体可打开Netlist菜单的Edit Net子菜单，出现一个Change Net对话框，把此对话框中的Optimize Method（布线优化模式）选为Daisy Chain即可。8)每个集成电路块的附近应设置一个高频退耦电容。由于 Protel 软件在自动放置元件时并不考虑退耦电容与被退耦的集成电路间的位置关系，任由软件放置，使两者相距太远，退耦效果大打折扣，这时必须用手工移动元件（Edit、Movecomponent）的办法事先干预两者位置，使之靠近。9)模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节。在实际装配高频扼流环节时用的往往是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠，在电路原理图上对它一般不予表达，由此形成的网络表（netlist）就不包含这类元件，布线时就会因此而忽略它的存在。针对此现实，可在原理图中把它当作电感，在 PCB元件库中单独为它定义一个元件封装，布线前把它手工移动到靠近公共地线汇合点的合适位置上。工程师们有时开玩笑说，电缆是把另外两个隐患源连接进来的隐患源。如今，有了价廉、易用的单片 RF 系统，如果你的工程项目，传输信号的距离不是很远，那就可以省去招惹是非的电缆了。有一些应用场合，避免使用电缆反而会使设备的使用状况更好。例如，在手持式控制盒与其所控制的设备之间，如果使用电缆链接，效果未必会好。又如汽车或住房的遥控无钥匙输入（RKE）锁也是无电缆连接的。有时有许多方式可以用廉价和易用的 RF 链接实现新的应用，而用接线连接，反而往往行不通。像无线表头的读数、能量的控制，以及供暖、通风和空调这类应用，现在都可以形成系统，但在不久前，这种系统还是难以建立的，主要原因是成本太高了。促成无线链接技术和系统发展有几方面原因，首先是最终用户要求使用方便。市场已有不少产品，如人们随处可见的电视红外遥控器，就已开拓出自己发展的前程，也就是说这些产品和系统已经不用电缆来链接，而且，人们已习以为常。其次，IC 的生产厂家已把他们的生产工艺、产品和钟频提高到兆赫级，甚至是千兆赫级的范围，这样一来，用户所需要的 RF频带，自然就包括在他们装置的工频范围之内了。对于在此频率范围内上变频和下变频变换，这些 IC 往往都用不着再专门外接别的电路部件。就能胜任工作。用把分立元件常常还是些恼人的有源和无源元件来装配RF连接的时代已经结束。更为难得的是，这些用 IC 做的 RF 连接器耗电极低，它工作的频带还没有具体的专利特许，也几乎没有什么现存的规定。只要最终用户是处在指定的频率和功率电平范围内，就不用再做设计。当然，切莫以为把这种最新一代的RF IC 有效地用在专用的和点到点的连接器上是一件轻而易举的小事。如果你要确保实现承诺，还得仔细地研究各种问题，因为不同型号的 RF IC 在许多相关参数，如频率、完备性和整体性能上，是不尽相同的。向外伸出到达接收器用户的首要考虑是需要可靠地达到的距离。这些含有末级功放的 IC 只耗毫瓦级功率电平，就可以使通信距离至少能够达到几米的量级，外部环境条件好时甚至能达到 100 米或更远一些。如果你想要达到更长的距离，可以再外加一级 RF 放大器就可以了。但是，请注意，加了这一级又会引出一些别的问题来，其中包括受规定限制的问题、功耗增大、增加器件数和成本，以及当你靠近时，接收器上的信号超载等问题，都要考虑（你也可以使用宽程自动增益的接收器，但其复杂程度就会增加）。另一种方案是采用定向无线。但是同样，由于某些原因，这种简单的方法往往也不现实；它会在目标方向上加大有效辐射功率（ERP），而这种ERP 一般必须保持在规定限额以下。虽然对没有受规定限制的接收器，你可以使用定向天线，但这又会限制用户移动的自由度（附文这是罗德尼（Rodney）危险场情况）。用户还需要考虑在简单、单向、单工链接与双向、半双工链接之间的权衡。有许多应用，如 RF 识别（RFID）和 RKE，只需要一种单工链接，但却从双向信号通道中受益。单工链接对系统是否收到信号不提供确认功能。当你对汽车上锁或开锁时，汽车喇叭会发出声音反馈给你，这样你也就完成了设定。但是如果你在离家时对住所设定报警系统，你可能就需要对报警是否已确切收到待命信号并做了设定安排进行确认，或是报警系统工作的反馈，如在某一报警区的正确设置与否。这种单向链接也限制了某些保安处理的算法的应用（附文恰当的保安措施保你更平安）。虽然半双工系统比单工系统需要用的元件多一些，但幸运的是，在这些低功耗的链接上却没有额外增加什么设计的复杂性。唯一的公用系统部件是天线，而且因为链接不是全双工的，所以在发送器加电工作时，接收器的前端就用不着加电。因此，设计上就不需要使用滤波器以及把接收和发送频带分开，而且发送器的加电状态也不会使接收器的前端出现饱和。大多数这种低功耗、近距离的 RF 链接器，都是以低的或分散的占空比以及短信息进行运作的，因此对发送器功耗的计算就与对接收器计算不一样，因为后者至少要经常处于待机、收听或是轮询的模式。一台标准的 RKE 机一天可能要用好几次，但每次使用时间只有几毫秒，所以电池的实际寿命可用 12 年。虽然各种产品的应用情况不尽相同，但大多数对电池工作寿命的要求，都需要至少是二至三年。请注意，如果你的应用涉及周期性信息，例如报警系统的一个输入点要回授其中央控制器以确认一切仍然正常，因而对发送器的功耗和工作电压要求十分严格。你必须仔细斟酌你的设计在这方面的情况，或许应更换容量更大的电池，或采用更高的工作电压。另外，在你的功耗预算中，一定别忘了把微控制器的功耗计算在内。无线链路的这种固有特性，使它能比较随便地应用在场所不固定的场合之中。不定的应用环境，有时还容易受到过冷过热和粗心操作等的影响。因此，集成度高就有明显的优势。因为集成度越高，就会省掉一些元件，那么，不仅延长了平均故障间隔时间，而且还对链路的工作距离有利。当然，也正由于这种特性，RF 电路也容易受失谐、漂移及灵敏度等的影响，因而，其标称的长期工作的距离，也可能会随着不可避免的用户的滥用及使用环境的恶劣影响而急剧缩短。因此，用户需要在实际工作条件下对产品做寿命试验，这样，在 12 至 18 个月内，就不会因产品不好使而引起用户向你投拆，说他们车库门的遥控器作用距离在迅速缩短，或链路工作时好时坏。由于其他一些原因，一般来说接收器的设计和装配比发送器的难度要大一些。发送器有明确的任务：只是在用户要求时，取一个已知的信号，将其编码并调制到已知的载波上，并提供足够的RF功率就可以了。与此形成鲜明对照的是，接收器却要完成费力不讨好的信号处理任务，要时时保持警觉，或在频谱中出现失真、充满噪声信号而需调谐时，还要不断地轮询。要求能在 SNR 低、有干扰、而且器件参数发生漂移的情况下仍能检出有用的信号。因为这些以及其他的原因，许多生产 RF IC 的厂家就把精力集中在链路的接收器这一端。也可以说，接收器是制造厂家获得最大的增值的地方，同时，也是用户受益最大的电路技术，还能减少设计工程师的大多数麻烦。当然，发送器和接收器之间的这种差别，不应该误导人们，就此以为发送器的实施方案看得很简单。除非你对产品自行设计开发和质量认证的能力有绝对的把握，否则你仍然要慎重地确定接收器厂家提供的发送器是否匹配，或有没有为了降低风险而可以借鉴的参考设计。用户还要考虑适合你的应用和市场要求的频率，通常，频率较低的产品设计，容易布线布局，容易排障调试，但也有其缺点。主要是它们需要的无源元件较多（有些无源元件是不可避免的），而且要在更加拥挤的频带上工作。前几年 RF 连接电路的工作频率从 200300MHz 升到 300400MHz 频区，甚至高到900MHz。工业、科研和医疗（ISM）甚至要求器件可工作于 2.4GHz 频段。值得注意的是：在 2.4GHz 频段工作的优点主要在于技术性规定方面。其工作频率和约束因素在世界各地几乎都是统一的，所以某个设计产品，或该设计变动不大的产品，在任何地方你都可以使用。用不同的层次结构来补救在接收器领域，EH Armstrong 在 30 年代就开发出历史悠久的超外差式结构。至今，在大多数应用中这种结构仍然是占支配地位的设计。超外差把接收到的任何载波变成一个固定的中频，接收器再根据需要加以解调和处理。这种优良的结构，多年来伴随着其生存得到了许多工程师的精炼与提高，同时也解决了不少的矛盾的问题（只是近几年，直接变换、零中周（Zero-IF）结构才在某些应用中实现）。可惜的是，全超外差结构对于只要求单信道、单调制信号的低成本和低功耗接收器来说，如杀鸡用牛刀。因此，RF IC 生产厂家便根据接收器在这种功能有限的应用中对灵活性要求不高的情况，把凡是用户不需要的功能都加以删除。有时对某些更为简单的设计，甚至干脆舍弃超外差方式。当然，这只能是为有限功能而且只有一项作业的优化。具有讽剌意味的是，上述变通设计中的一种竟是超再生接收器，也是 Armstrong 在做超外差机之前开发出来的那种超再生接收器（他本人很快就发现了这种超再生机的局限性，即使再简单，对通用性也是大问题）。与对大多数器件和系统的情况一样，对某些规范技术的细节，用户必须有所了解。对接收器灵敏度的技术规格更应该加以注意。在规定最大数据速率（如确定用何种位误码率（BER）值）、输入带宽、调制系数及进行测量的占空度方面，存在着多种合理但难以比较的方法。如果你的运行接近于链接器的最大潜力，你就需要就测试配置询问厂家。目前用户能得到的最好 RF IC 产品应该是 Micrel MICRF接收器系列，包括 418433MHz 和 900MHz 带宽的器件。用于较低频带的163 引脚的 MICRF002 和 8 引脚的 MICRF022，以及用于较高频带（除频带外其他一样）16 引脚的 MICRF003 和 8 引脚的 MICRF033 电路，它们所采用的结构对每个单元无须手动调谐（图 1）。这些超外差接收器的目标是键控通断，或移幅键控（ASK）式的，要求的外部元器件极少，只包括 47nF 的电容器，一只 4.7F 电容器及一只便宜的 67MHz 的陶瓷谐振器。这些 IC 不要滤波器，也不用电感器。用于频率再高一些的产品有售价为 4.50 美元（批量 1000 只）的 MICRF003033，它们支持的数据速率可高达 20kbps，并由 CMOS 逻辑接口提供数据。正常运行时，IC 由 5V 电源供电，耗电为 4mA，在关机状态时，耗电为此数值的百分之一。用户可以把接收器设置为定期唤醒并能检查进来的信号。这种面向循环的运行方式，使整体功耗接近于关机状态的数值。最近，德州仪器（TI）公司推出了 TRF6900 型收发器，用于 850950MHz 频段，以及相关的 MSP430超低功耗、16 位 C，用于脉冲模式运行和低功耗。相对比较复杂的 48 脚收发器，支持 FM、FSK、键控通断，以及 ASK 运作，并使用 2.23.6V 的电源供电，能产生高达 6dBm 的输出功率。在一块 RF IC 中含有一个跳频信道、24位的直接数字式合成器、带 11 位的 DAC，分辨率为 230Hz；有一个基准振荡器和一个 VCO；一个接收信号强度指示器（RSSI）模块；以及一个连接 C 的串行接口。这种 IC 发送数据的速度可以快到 200kbps；为了降低功耗，用户可以对这个内部电路块进行通断选择。要使其技术发挥作用，IC 内的这些电路块便在 500ms 内接通和断开，并且可以使待机功耗低到微安级。随着详细的数据资料，TI 公司还提供应用说明书、基于 C 和基于 PC 的软件、参考设计、材料清单以及 RF 的设计布线布局文档。要完成你在设计中的 RF 部分，还需要一个 VHF 滤波器、一个 IF 滤波器和一个晶体振荡器，外加几个电阻器、电容器和电感器，价格在 15 美元之间，取决于应用的实际情况。Mitel 公司正在用KESRX05 这类 IC 扩展其发送器和接收器系列，KESRX05 是老型号 ESRX04 PLL 控制接收器的升级产品，通过一个内部除以 64 的预定标器而锁定在某个基准晶体振荡器上。这种工作于 260470MHz 频段的接收器采用 ASK 调制，允许数据速率高达 100kbps，而普通的数据速率还不到 5kbps。在 433MHz、2kbps 数据率和 50的占空度时，接收器的灵敏度为160109dBm。Mitel 公司还用抗干扰电路重新设计了接收器，这种电路能抑制在 433.92MHz处相邻信道的干扰，例如那些来自附近业余无线电转发器的信号。有了这样的特性，你就可以用一个便宜的 LC 前端滤波器代替价格昂贵的 SAW 滤波器。重新设计后的接收器也把工作温度从前一代产品的 85延伸到 105；这种延伸对许多实际应用是重要的筹码，因为环境温度再加上阳光直晒会使 IC 的温度升得很高。Infineon Technologies 公司（其前身是 Siemens Components 公司）也在把其次 400MHz 的产品，扩展成频带更高的产品。该公司针对 868870MHz 和 433435MHz 两个频带提供 TDA5100ASKFSK 发送器；对欧洲市场提供互补式 TDA5200ASK 超外差接收器。Infineon 公司还提供面向美国市场的 TDA5101 和 TDA5251，使用的工作频带为 3.5345MHz。发送器是一种以 16 引脚 TSSOPO 封装的 IC，售价为 1.50 美元（批量 50000 个），工作电压为 2.14V。IC 上集成有 VCO、PLL、晶体振监器、电源稳压器和功率放大器。你可以采用带有 C 的发送器，而 C 是采用与发送器件共同的钟频晶振运作的。接收器用的是 5V 电源，也包括一个 VCO、PLL、限幅器、几个滤波器和一个数字比较器；灵敏度为 1C。售价 0.85 美元（批量 50,000）的 IC采用 28 引脚的 TSSOP 封装。Motorola 公司也提供宽带 RF IC，它可与基频信号处理器一道用于 RF 信道。该公司的 MC13146 电路从直流到 1.8GHz 的发送器，在 1dB 压缩点可泵升 10dBm 输出。该发送器包括一个线性混频器、VCO、双模预定标器和功率放大器。工作电压为2.76.5V，消耗电流在1.8GHz时低于 25mA；关机模式时，可降至 66A。相配的 MC13145 接收器有一个低噪声放大器、两个混频器、一个 VCO、一个双模预定标器、一个中频放大器和限幅器，一个 RSS1 电路和一个无电感 FMFSK 调制解调器。发送器采用24 脚的 LQFP 封装；而接收器是采用 48 脚的 LQFP 封装。Chipcon Components AS 公司的收发器 IC 引起了们极大的注意，因为它的输出功率相当高，因而作用距离也随之加大。用于 300500MHz ISM 场合的 CC400 FSK数据传输率为 9.6kbps，半双工运行时距离可达 2000 米（图 2）。输出功率范围从5dBm 至14dBm，这样你就可以按 1dB 档次编程；接收器灵敏度在1.2kbps 和 103BER 时为112dBm。IC 以 28 引脚 SSOP 封装，工作电压为 2.73.3V，接收器全天通电时的电流要求为 18mA，用于轮询方式时平均工作电流为 180A。厂家也提供全套开发配置，包括 PC 可配置的无线电模块、电缆和接插件，以及在 PC 上运行的软件。最近，RF Micro Dexices 公司推出了一对用于 902928MHz ISM频带的扩频发送器和接收器IC。RF2908包括一个双变换接收器、一个正交调制器、双中频放大器、滤波器、数字比较器和一个 PLL 合成器。这种 68 脚 LQFP 封装的 IC 售价为 5.25 美元（批量 10000）。相配的 RF 2909支持直接调制控制，用户可设置这种24引脚SSOP封装的电路的输出功率电平，从 1mW 到 80mW，售价为 2.35 美元（批量 10000）。也有用于 900MHz 的，Level One 公司的 LXT810 型，是 32ksps 扩频收发器，作用距离为 100 米（输出功率为 1mW 至 100mW），不需要调谐、调整或滤波器。用这种 IC 做的完整设计，所用分立元件不到 30 个。如果你不想用清一色的 IC 来设计，也能考虑混合方式的话，就会发现有些厂家，如 RF Monolithics 公司提供的一些器件也只比封装的 IC 稍大一点，但却会扫清设计障碍，使设计绝对简单化。产品系列包括运行在 433MHz 和 916MHz 频段的发送器、接收器和收发器，而且已被认证的不同型号可用于世界的不同地区。例如，该公司售价 15.20 美元（批量1000）的 3V RX6000 放大器按序混合（ASH）接收器，支持的数据率可达115.2kbps，所用结构带有一个宽动态量程算法检测器、一个数字限幅器、数字式 AGC、用于带外抑制的两级 SAW 滤波，并能支持几乎在任何天线阻抗下的稳定性（图 3）。在许多 RF 链路应用中，这种稳定系数是非常重要的，因为天线在其面向和对其周围传导面的邻近度改变时，实际阻抗也会改变。ASH 接收器的设计极大地提高了频道捕捉效应，而在 RF 场合内最强的信号就能对接收器起主导作用并进行全面捕捉。同时，对不感兴趣的和较弱的信号，接收器就加以忽略，而这样并不使解调 BER 的功能降低（虽然这些特性看起来像是达尔文式（Darwinian）的，也是反映 RF 稠密律的，但却有利于建立好的链接！）。参考文献 1 介绍了独特的 ASH 结构及其特性的很有见地的讨论，并介绍了有关生产厂家之外的许多关键设计和应用问题。你可能不久就会看到 Philsar Electronics 公司的一种全双工收发器 IC，工作频率为 200928MHz。这种多用途 32 引脚 SSOP 封装的 RF 支持的数据率达到 10kbps，包含有 PLL、VCO和晶体振荡器以及其他主要功能的部件。它要求约10个非关键的外部无源元件，并用一个有源滤波器使设计达到最佳功能。这种 3V 的 IC 在接收模式时要求2.5mA 电流（待机时为 1A），发送模式时则为 6mA，能产生12dBm 的 RF输出电平，在 1000 个取样秒时灵敏度为115dBm。为了工作于 2.4GHz ISM 频带，National Semiconductor 公司提供一种 LMX3162 收发器，它能提供一个进家庭和小办公室 LAN 的输入点（图 4）。其中的接收器，RF 灵敏度为93dBm，RSSI 灵敏度可达100dBm。85dB 增益的中频放大器组紧跟这个前端，前端的系统噪声系数为 6.5dB。可用未经调整的 35.5V 电源供电，以 48 引脚封装。在售价为 5.60 美元（批量 1000 个）的单变换收发器中，有一个收发功能共用的 1.3GHz PLL、一个 2.4GHz 的倍频器、一个低噪声放大器、几个缓冲器、一个混频器、以及各种相关接收信道的功能和基本发送信号通道。National Semiconductor 公司与系统集成器伙伴 RTX Telecon A/S 公司合作，也向用户提供参考设计，包括原理图、电路布局、软件及技术文件。针对2.4GHz 工作频段，Digital Wireless 公司有一个输出功率为 100mW 的完整调制解调器，装在 9mm 厚的外壳中，外壳尺寸不到 4680cm（图 5）。作为跳频、扩频部件，WIT2410 3.3V 的调制解调器，支持的数据速率达到 115kbps。不管你接触的是哪一个生产厂家，一定要弄清该厂 IC 产品的完备性如何，因为完备性和审美一样，是情人眼里的西施，完备性的确是一个标志，它说明你还需要给 IC 添加多少以及加什么型号的无源和有源器件才能完成设计。外接元器件多也不一定就是坏事，因为通常这也说明 IC 给你留下了灵活度，让你去选择频率、数据率、在频宽和回路响应方面的得失，以及发送器和接收器的其他重要技术规格。你需要制定，标准的 IC 设计究竟是否限制了你去满足应用的要求，还是你需要的东西多少有些特别，要采用多一些外部电路来加大灵活性。请记住：一个器件越是完备，你需要用以确定电路中讨厌的 EMI 和对电器 EMI 敏感度的规定测试，也就越少。最后，在还没有鉴定红外链接器是否适合该项应用之前，先不要考虑使用 RF IC。红外链接器支持的距离是 1 米和 1Mbps 的数据率。这类链接器的缺陷也正是它们的长处：它们只在视线内工作，而且发送器和接收器也必须相互大致排成一行。在这些限制因素内，你就能有一个性能价格比好的、功耗低的、也容易设计的链接器。针对硬件和互操作性，通过红外数据协会（Infrared Data Association）可得到基本硬件以上的所有约定层次的软件及某种程度的标准化，而这又是 RF链接器通常所缺少的。射频电路板设计技巧射频电路板设计技巧 成功的 RF 设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的进展进行全面持续的评估。而这种细致的设计技巧正是国内大多数电子企业文化所欠缺的。近几年来，由于蓝芽设备、无线局域网络(WLAN)设备，和行动电话的需求与成长，促使业者越来越关注 RF 电路设计的技巧。从过去到现在，RF 电路板设计如同电磁干扰(EMI)问题一样，一直是工程师们最难掌控的部份，甚至是梦魇。若想要一次就设计成功，必须事先仔细规划和注重细节才能奏效。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(black art)。但这只是一种以偏盖全的观点，RF 电路板设计还是有许多可以遵循的法则。不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些法则因各种限制而无法实施时，如何对它们进行折衷处理。重要的 RF 设计课题包括：阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板、波长和谐波.等，本文将集中探讨与 RF电路板分区设计有关的各种问题。微过孔的种类 电路板上不同性质的电路必须分隔，但是又要在不产生电磁干扰的最佳情况下连接，这就需要用到微过孔(microvia)。通常微过孔直径为0.05mm至0.20mm，这些过孔一般分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型制程完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为组件的黏着定位孔。采用分区技巧 在设计RF电路板时，应尽可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来。简单的说 RF 接，就是让高功率 RF 发射电路远离低功率收电路。如果 PCB 板上有很多空间，那么可以很容易地做到这一点。但通常零组件很多时，PCB 空间就会变的很小，因此这是很难达到的。可以把它们放在 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(buffer)和压控振荡器(VCO)。设计分区可以分成实体分区(physical partitioning)和电气分区(Electrical partitioning)。实体分区主要涉及零组件布局、方位和屏蔽等问题；电气分区可以继续分成电源分配、RF 走线、敏感电路和信号、接地等分区。实体分区 零组件布局是实现一个优异 RF 设计的关键，最有效的技术是首先固定位于 RF路径上的零组件，并调整其方位，使 RF 路径的长度减到最小。并使 RF 输入远离 RF 输出，并尽可能远离高功率电路和低功率电路。最有效的电路板堆栈方法是将主接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，而且还可以减少主接地上的虚焊点，并可减少RF能量泄漏到层叠板内其它区域的机会。在实体空间上，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接地面积。正确的 RF 路径对整块 PCB 板的性能而言非常重要，这也就是为什么零组件布局通常在行动电话 PCB 板设计中占大部份时间的原因。在行动电话 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，并最终藉由双工器在同一面上将它们连接到 RF 天线的一端和基频处理器的另一端。这需要一些技巧来确保 RF 能量不会藉由过孔，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。可以藉由将盲孔安排在 PCB 板两面都不受 RF 干扰的区域，来将过孔的不利影响减到最小。金属屏蔽罩 有时，不太可能在多个电路区块之间保留足够的区隔，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，但金属屏蔽罩也有副作用，例如：制造成本和装配成本都很高。外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精密度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使零组件布局受到一些限制；金属屏蔽罩不利于零组件更换和故障移位；由于金属屏蔽罩必须焊在接地面上，而且必须与零组件保持一个适当的距离，因此需要占用宝贵的 PCB 板空间。尽可能保证金属屏蔽罩的完整非常重要，所以进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层，而且最好将信号线路层的下一层设为接地层。RF 信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口处的布线层走线出去，不过缺口处周围要尽可能被广大的接地面积包围，不同信号层上的接地可藉由多个过孔连在一起。尽管有以上的缺点，但是金属屏蔽罩仍然非常有效，而且常常是隔离关键电路的唯一解决方案。电源去耦电路 此外，恰当而有效的芯片电源去耦(decouple)电路也非常重要。许多整合了线性线路的 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滤除全部的电源噪音。(图一)图一 芯片电源去耦电路 最小电容值通常取决于电容本身的谐振频率和接脚电感，C4 的值就是据此选择的。C3 和 C2 的值由于其自身接脚电感的关系而相对比较大，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音信号。RF 去耦则是由电感L1 完成的，它使 RF 信号无法从电源线耦合到芯片中。因为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，所以，将射频信号与关键线路、零组件隔离是必须的。这些去耦组件的实体位置通常也很关键。这几个重要组件的布局原则是：C4 要尽可能靠近 IC 接脚并接地，C3 必须最靠近 C4，C2 必须最靠近 C3，而且 IC接脚与 C4 的连接走线要尽可能短，这几个组件的接地端(尤其是 C4)通常应当藉由板面下第一个接地层与芯片的接地脚相连。将组件与接地层相连的过孔应该尽可能靠近 PCB 板上的组件焊盘，最好是使用打在焊盘上的盲孔将连接线电感减到最小，电感 L1 应该靠近 C1。一个集成电路或放大器常常具有一个开集极(open collector)输出，因此需要一个上拉电感(pullup inductor)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的电源端进行去耦。有些芯片需要多个电源才能工作，因此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的空间，那么去耦效果可能不佳。尤其需要特别注意的是:电感极少平行靠在一起，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之一的高度，或者成直角排列以使其互感减到最小。电气分区 电气分区原则上与实体分区相同，但还包含一些其它因素。现代行动电话的某些部份采用不同工作电压，并借助软件对其进行控制，以延长电池工作寿命。这意味着行动电话需要运行多种电源，而这产生更多的隔离问题。电源通常由连接线(connector)引入，并立即进行去耦处理以滤除任何来自电路板外部的噪音，然后经过一组开关或稳压器，之后，进行电源分配。在行动电话里，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设计出一条尽可能宽的大电流线路，以使发射时的压降(voltage drop)能减到最低。为了避免太多电流损耗，需要利用多个过孔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接脚端对它进行充分的去耦，那么高功率噪音将会辐射到整块电路板上，并带来各种各样的问题。高功率放大器的接地相当重要，并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。RF 输出必须远离 RF 输入 在大多数情况下，必须做到 RF 输出远离 RF 输入。这原则也适用于放大器、缓冲器和滤波器。在最坏的情况下，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。它们可能会变得不稳定，并将噪音和互调相乘信号(intermodulation products)添加到RF信号上。如果射频信号线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，首先在滤波器周围必须是一块主接地面积，其次滤波器下层区域也必须是一块接地面积，并且此接地面积必须与围绕滤波器的主接地连接起来。把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器接脚也是个好方法。此外，整块电路板上各个地方的接地都要十分小心，否则可能会在不知不觉中引入一条不希望发生的耦合信道。(图二)详细说明了这一接地办法。图二 滤波器四周被接地面（绿色区域）包围 有时可以选择走单端(single-ended)或平衡的 RF 信号线(balanced RF traces)，有关串音(crosstalk)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，可以减少噪音和串音，但是它们的阻抗通常比较高。而且为了得到一个阻抗匹配的信号源、走线和负载，需要保持一个合理的线宽，这在实际布线时可能会有困难。缓冲器 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份，并用于驱动不同的电路。尤其是本地振荡器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(common mode isolation)状态时，它将无本人常工作。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