RF无线射频电路设计5年经验汇总

RF无线射频电路设计5年经验汇总


RF无线射频电路设计中的常见问题及设计原则

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引 言


射频(RF)PCB设计,在目前公开出版的理论上具有很多不确定性,常被形容为一种“黑色艺术”。通常情况下,对于微波以下频段的电路(包括低频和低频数字电路),在全面掌握各类设计原则前提下的仔细规划是一次性成功设计的保证。对于微波以上频段和高频的PC类数字电路。则需要2~3个版本的PCB方能保证电路品质。而对于微波以上频段的RF电路,则往往需要更多版本的:PCB设计并不断完善,而且是在具备相当经验的前提下。由此可知RF电路设计上的困难。

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RF电路设计的常见问题

2.1 数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰

如果模拟电路(射频)和数字电路单独工作,可能各自工作良好。但是,一旦将二者放在同一块电路板上,使用同一个电源一起工作,整个系统很可能就不稳定。这主要是因为数字信号频繁地在地和正电源(>3 V)之间摆动,而且周期特别短,常常是纳秒级的。由于较大的振幅和较短的切换时间。使得这些数字信号包含大量且独立于切换频率的高频成分。在模拟部分,从无线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于lμV。因此数字信号与射频信号之间的差别会达到120 dB。显然.如果不能使数字信号与射频信号很好地分离。微弱的射频信号可能遭到破坏,这样一来,无线设备工作性能就会恶化,甚至完全不能工作。

2.2 供电电源的噪声干扰

射频电路对于电源噪声相当敏感,尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸人大部分电流,这是由于现代微控制器都采用CMOS工艺制造。因此。假设一个微控制器以lMHz的内部时钟频率运行,它将以此频率从电源提取电流。如果不采取合适的电源去耦.必将引起电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺到达电路RF部分的电源引脚,严重时可能导致工作失效。

2.3 不合理的地线

如果RF电路的地线处理不当,可能产生一些奇怪的现象。对于数字电路设计,即使没有地线层,大多数数字电路功能也表现良好。而在RF频段,即使一根很短的地线也会如电感器一样作用。粗略地计算,每毫米长度的电感量约为l nH,433 MHz时10 toni PCB线路的感抗约27Ω。如果不采用地线层,大多数地线将会较长,电路将无法具有设计的特性。


2.4 天线对其他模拟电路部分的辐射干扰

在PCB电路设计中,板上通常还有其他模拟电路。例如,许多电路上都有模,数转换(ADC)或数/模转换器(DAC)。射频发送器的天线发出的高频信号可能会到达ADC的模拟输入端。因为任何电路线路都可能如天线一样发出或接收RF信号。如果ADC输入端的处理不合理,RF信号可能在ADC输入的 ESD二极管内自激。从而引起ADC偏差。

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RF电路设计原则及方案

3.1 RF布局概念


在设计RF布局时,必须优先满足以下几个总原则:
1. 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:

2. 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,铜箔面积越大越好;

3. 电路和电源去耦同样也极为重要;

4. RF输出通常需要远离RF输入;

5. 敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和RF信号。 3.2 物理分区和电气分区设计

原则: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、方向和屏蔽等;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。


3.2.1 物理分区原则


1. 元器件位置布局原则。


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方向,以便将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。

2. PCB堆叠设计原则。


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线布置在表层上。将RF路径上的过孔尺寸减到最小,这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。

3. 射频器件及其RF布线布局原则。


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迹线应尽可能十字交叉,并尽可能在它们之间隔一块地。正确的RF路径对整块PCB的性能非常重要,这就是元器件布局通常在蜂窝电话PCB设计中占大部分时间的原因。

4. 降低高/低功率器件干扰耦合的设计原则。


在蜂窝电话PCB上,通常可以将低噪音放大器电路放在PCB的某一面,而将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。要用技巧来确保通孔不会把RF能量从板的一面传递到另一面,常用的技术是在二面都使用盲孔。可以通过将通孔安排在PCB板二面都不受RF干扰的区域来将通孔的不利影响减到最小。

3.2.2 电气分区原则

1. 功率传输原则。


蜂窝电话中大多数电路的直流电流都相当小,因此,布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定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,需要采用多个通孔来将电流从某一层传递到另一层。

2. 高功率器件的电源去耦。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,并带来多种的问题。高功率放大器的接地相当关键,经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。

3. RF输入,输出隔离原则。


在大多数情况下,同样关键的是确保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。

4. 滤波器输入,输出隔离原则。


如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端,那么,这可能会严重损害滤波器的带通特性。为了使输入和输出良好地隔离。首先必须在滤波器周围布置一圈地。其次滤波器下层区域也要布置一块地,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十分小心,否则可能会在不知觉之中引入一条不希望发生的耦合通道。

5. 数字电路和模拟电路隔离。


在所有PCB设计中,尽可能将数字电路远离模拟电路是一条总的原则,它同样适用于RF PCB设计。公共模拟地和用于屏蔽和隔开信号线的地通常是同等重要的,由于疏忽而引起的设计更改将可能导致即将完成的设计又必须推倒重来。

同样应使RF线路远离模拟线路和一些很关键的数字信号.所有的RF走线、焊盘和元件周围应尽可能多地填接地铜皮.并尽可能与主地相连。如果RF走线必须穿过信号线,那么尽量在它们之间沿着RF走线布置一层与主地相连的地。

如果不可能,一定要保证它们是十字交叉的.这可将容性耦合减到最小,同时尽可能在每根RF走线周围多布一些地,并把它们连到主地。此外。将并行RF走线之间的距离减到最小可使感性耦合减到最小。

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结束语

迅速发展的射频集成电路为从事各类无线通信的工程技术人员提供了广阔的前景。但同时,射频电路的设计要求设计者具有一定的实践经验和工程设计能力。本文总结的一些经验可以帮助射频集成电路开发者缩短开发周期.避免走不必要的弯路,节省人力物力。

射频(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。

在大多数情况下,同样关键的是确保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十分小心,否则你可能会在不知不觉之中引入一条你不希望发生的耦合通道。图3详细说明了这一接地办法。

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。

还有许多非常敏感的信号和控制线需要特别注意,但它们超出了本文探讨的范围,因此本文仅略作论述,不再进行详细说明。

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。总的来说,在这一级以后你再也没有办法从RF输出信号中将噪声去掉。那么困难在哪里呢?首先,控制线的期望频宽范围可能从DC直到2MHz,而通过滤波来去掉这么宽频带的噪声几乎是不可能的;其次,VCO控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部分,它在很多地方都有可能引入噪声,因此必须非常小心处理VCO控制线。

要确保RF走线下层的地是实心的,而且所有的元器件都牢固地连到主地上,并与其它可能带来噪声的走线隔离开来。此外,要确保VCO的电源已得到充分去耦,由于VCO的RF输出往往是一个相对较高的电平,VCO输出信号很容易干扰其它电路,因此必须对VCO加以特别注意。事实上,VCO往往布放在RF区域的末端,有时它还需要一个金属屏蔽罩。

谐振电路(一个用于发射机,另一个用于接收机)与VCO有关,但也有它自己的特点。简单地讲,谐振电路是一个带有容性二极管的并行谐振电路,它有助于设置VCO工作频率和将语音或数据调制到RF信号上。

所有VCO的设计原则同样适用于谐振电路。由于谐振电路含有数量相当多的元器件、板上分布区域较宽以及通常运行在一个很高的RF频率下,因此谐振电路通常对噪声非常敏感。信号通常排列在芯片的相邻脚上,但这些信号引脚又需要与相对较大的电感和电容配合才能工作,这反过来要求这些电感和电容的位置必须靠得很近,并连回到一个对噪声很敏感的控制环路上。要做到这点是不容易的。

自动增益控制(AGC)放大器同样是一个容易出问题的地方,不管是发射还是接收电路都会有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地滤掉噪声,不过由于蜂窝电话具备处理发射和接收信号强度快速变化的能力,因此要求AGC电路有一个相当宽的带宽,而这使某些关键电路上的AGC放大器很容易引入噪声。

设计AGC线路必须遵守良好的模拟电路设计技术,而这跟很短的运放输入引脚和很短的反馈路径有关,这两处都必须远离RF、IF或高速数字信号走线。同样,良好的接地也必不可少,而且芯片的电源必须得到良好的去耦。如果必须要在输入或输出端走一根长线,那么最好是在输出端,通常输出端的阻抗要低得多,而且也不容易感应噪声。通常信号电平越高,就越容易把噪声引入到其它电路。

在所有PCB设计中,尽可能将数字电路远离模拟电路是一条总的原则,它同样也适用于RF PCB设计。公共模拟地和用于屏蔽和隔开信号线的地通常是同等重要的,问题在于如果没有预见和事先仔细的计划,每次你能在这方面所做的事都很少。因此在设计早期阶段,仔细的计划、考虑周全的元器件布局和彻底的布局评估都非常重要,由于疏忽而引起的设计更改将可能导致一个即将完成的设计又必须推倒重来。这一因疏忽而导致的严重后果,无论如何对你的个人事业发展来说不是一件好事。

同样应使RF线路远离模拟线路和一些很关键的数字信号,所有的RF走线、焊盘和元件周围应尽可能多填接地铜皮,并尽可能与主地相连。类似面包板的微型过孔构造板在RF线路开发阶段很有用,如果你选用了构造板,那么你毋须花费任何开销就可随意使用很多过孔,否则在普通PCB板上钻孔将会增加开发成本,而这在大批量生产时会增加成本。

如果RF走线必须穿过信号线,那么尽量在它们之间沿着RF走线布一层与主地相连的地。如果不可能的话,一定要保证它们是十字交叉的,这可将容性耦合减到最小,同时尽可能在每根RF走线周围多布一些地,并把它们连到主地。此外,将并行RF走线之间的距离减到最小可以将感性耦合减到最小。

一个实心的整块接地面直接放在表层下第一层时,隔离效果最好,尽管小心一点设计时其它的做法也管用。我曾试过把接地面分成几块来隔离模拟、数字和RF线路,但我从未对结果感到满意过,因为最终总是有一些高速信号线要穿过这些分开的地,这不是一件好事。

在PCB板的每一层,应布上尽可能多的地,并把它们连到主地面。尽可能把走线靠在一起以增加内部信号层和电源分配层的地块数量,并适当调整走线以便你能将地连接过孔布置到表层上的隔离地块。应当避免在PCB各层上生成游离地,因为它们会像一个小天线那样拾取或注入噪音。在大多数情况下,如果你不能把它们连到主地,那么你最好把它们去掉。



RF PCB电路板Design技巧

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元件的黏着定位孔。

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,就是让高功率RF发射电路远离低噪音接收电路。如果PCB板上有很多空间,那么可以很容易地做到这一点。但通常零元件很多时,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元件布局、方位和遮罩等问题;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

零元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路径上的零元件,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噪音电路。

最有效的电路板堆叠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他区域的机会。

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,这也就是为什么零元件布局通常在移动电话PCB板设计中占大部份时间的原因。

在移动电话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。

金属遮罩罩

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遮罩罩将射频能量遮罩在RF区域内,但金属遮罩罩也有副作用,例如:制造成本和装配成本都很高。

外形不规则的金属遮罩罩在制造时很难保证高精密度,长方形或正方形金属遮罩罩又使零组件布局受到一些限制;金属遮罩罩不利于零元件更换和故障移位元;由于金属遮罩罩必须焊在接地面上,而且必须与零元件保持一个适当的距离,因此需要占用宝贵的PCB板空间。

尽可能保证金属遮罩罩的完整非常重要,所以进入金属遮罩罩的数位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信号线可以从金属遮罩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,但是金属遮罩罩仍然非常有效,而且常常是隔离关键电路的唯一解决方案。

RF电路板设计概论描述

RF电路设计广泛应用于新一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话,这些产品的广泛使用正促使中国电子工程师越来越关注RF电路设计技巧。RFPCB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。


如何将RF与数模电路设计在同一PCB上?

手持无线通信设备和遥控设备的普及推动着对模拟、数字和RF混合设计需求的显著增长。手持设备、基站、遥控装置、蓝牙设备、计算机无线通信功能、众多消费电器以及军事/航空航天系统现需要采用RF技术。

在这一旧的方法下,RF设计师孤立于PCB系统设计中的其他部分进行RF电路的开发。然后该RF电路再利用ASCII文件翻译到总体PCB设计中,从而在主PCB上创建出原理图和物理实现。如果RF电路存在问题,那么设计必须在独立的RF解决方案中修正,然后再重新翻译进主PCB。

RF模拟器只模拟了理想的射频电路。在实际混合系统实现中有许多零碎的地层、地过空和相邻的RF电路,这使得分析变得非常的困难,而且谁都知道这些附加的形状将会对RF电路运作产生长久的影响。

这一旧方法多年来已成功地用于混合信号电路板设计,但随着产品中RF电路含量的增加,两个独立设计系统带来的问题已开始影响设计师的生产力、产品上市时间和产品的质量。

为了解决这些问题,Mentor Graphics公司已经开发出一种动态链接技术,它可以将PCB原理图和版图工具与RF设计和模拟工具集成在一起,从而产生了一种新的解决方案,它可以克服传统的射频设计的缺点。


RF感知(RF aware)PCB设计

为保持PCB和RF设计间的设计意图,RF设计工具必须理解PCB布局中面向层(layer-oriented)的结构,而PCB系统也必须理解RF设计环境中使用的参数化平面微波元件。


另一个关键问题是,PCB系统将RF电路的版图构建成短路电路,这妨碍了对设计进行正确的设计规则检验(DRC)。对当今的复杂RF系统设计来说,功能上的RF感知DRC是设计方法学确保设计正确所必须的。

所有这些都对保持设计意图有帮助。保持设计意图非常关键,因为它是实现在工具集间设计数据的多次往返而不丢失信息的基础。

RF设计是个反复的过程,需要采取很多步骤对设计进行调整和优化。过去,在真实的PCB设计背景下,进行RF设计非常困难。当当在PCB上实现经过优化的RF模块时,仍无法保证它仍工作在最佳状态。作为一种验证,需要对PCB实现进行电磁场分析(EM)。

RF PCB设计瓶颈


RF PCB设计瓶颈主要有以下几个。第一,由于PCB板上的每个RF模块可能已经被一个独立的RF设计小组设计出来,以及每个模块可以独立进行升级、演变和重利用,因此将整个电路作为一个整体来管理就变得至关重要,但在任何时候仍然把这些模块作为单独的电路元件进行存取。为了解决这个问题,原理图和版图工具必须扩展,以支持分层分组电路。通过这一方法,即使一个RF电路已经在PCB上布好,它仍然可以作为一个RF电路与其它模块放在一起,并可以连接到适当的RF设计小组进行分析。

下一个障碍是如何设计地平面。在传统的设计流程中,采用RF金属来作为一个黑箱金属块,与地的间隔是手工完成的,因为过空要经过每一个地层。当RF电路更新后(这是一个频繁的操作),裁掉的部分就必须手动修改以对应新的电路。对某些设计来说,仅这一编辑过程可能就要花几周的时间。

新的综合设计流程

RF设计工具和PCB设计工具之间的综合一直以ASCII IFF格式文件的双向转换为基础。该格式虽能处理部分设计数据,但还远远没有实现无缝的反复综合。缺少库同步是致命的一个原因。

这种设计需求催生出了一个基于网络的工具间的通信,它在RF设计和系统级PCB设计间提供一个动态双向链接(图1(b))。为支持并行工程处理,多个PCB工程师可同时使用同一个设计数据库,每人都能链接一个或多个模拟部分。现在,可以采用RF设计工具来设计RF模块,并在恰当时候将其综合为系统级原理图和PCB的一部分,而不再像过去那样仅是个难以琢磨的黑匣子电路。在此阶段,可在任一环境中升级电路并模拟其效果。

将每个RF电路看作一组对象,以帮助维护可追溯性、版本管理和设计问题。因为设计意图得以保全,所以可实施任意多次的设计反复,而没有时间成本。此外,因为可以在真实系统级PCB环境中对RF模块进行模拟,所以应该更详尽地对其功能进行验证以帮助缩短设计周期。


高速精准PCB抄板的高招

下面再为大家介绍一种最方便最高效精准的PCB抄板方法,只需要你稍有PROTEL电路基础就能轻易掌握。


要准备什么?呵呵,一台普通扫描仪,你的电脑,安装一个Quickpcb2005程序,够了。


先简单介绍下流程:


1.扫描电路板图片
2.运行Quickpcb2005程序
3.在文件菜单中调入扫描的电路板图片
4.这个软件提供了测量工具和计算器,直接在扫描后有彩色图片上放置任意元素
5.抄完顶层,打开层设置菜单,关闭顶层,在文件菜单中调入底层图片
6.依次抄出其它内层
7.存出PCB文件,完成抄板


以一块双面板为例来说:
我们先扫描线路板的上下表层,存出两张BMP图片。打开Quickpcb2005,点“文件”“打开底图”,打开一张扫描图片。Quickpcb里的图标和快捷键与PROTEL非常相似。

比如我们用PAGEUP放大屏幕,看到焊盘,按PP放置一个焊盘,看到线按PT走线??就象小孩描图一样,在这个软件里描画一遍,点“保存”生成一个B2P的文件。然后我们再点“文件”“打开底图”,打开另一层的扫描彩图;再点“文件”“打开”,打开前面保存的B2P文件,我们看到刚抄好的板,叠在这张图片之上--同一张PCB板,孔在同一位置,只是线路连接不同。所以我们按“选项”--“层设置”,在这里关闭显示顶层的线路和丝印,只留下多层的过孔。

顶层的过孔与底层图片上的过孔在同一位置,现在我们再象童年时描图一样,描出底层的线路就可以了。再点“保存”--这时的B2P文件就有了顶层和底层两层的资料了。这时我们点“文件”“导出为PCB文件”,就可以得到一个有两层资料的PCB文件,我们可以再改板或再出原理图或直接生产。

如果是多层板还要细心打磨到里面的内层,同时重复前面介绍的步骤,当然图形的命名也不同,要根据层数来定,一般双面板抄板要比多层板简单许多,多层板抄板容易出现对位不准的情况,所以多层板抄板要特别仔细和小心(其中内部的导通孔和不导通孔很容易出现问题)。


2.4G PCB天线问题请教

件中的电路板,左边那个68pin的模块是一个rfid模块,红点的位置A是输出rf信号的引脚,该引脚两边的引脚都是地;图片右侧,是TI公司设计的一个标准的用于该rf芯片的倒F天线。红点位置B,是馈电点。

这张照片是国外的一个学校做的原型产品,直接把A点和B点相连,看起来应该是可以工作的;我的问题是:

A/B两点之间的连线,在长度,线宽,rf铜线和GND的距离方面,要求很严格吗?还是差不多就行?我们的应用是rfid应用,对信号要求可能没有手机那么严,但是也不希望人家是设计80m距离的模块,装到我们的板子上就只能传输20米,那也太难看了~


2.4G无线技术详解

第一节:2.4G无线技术优势

大家所谓的2.4G无线技术,其频段处于2.405GHz-2.485GHz(科学、医药、农业)之间。所以简称为2.4G无线技术。这个频段里是国际规定的免费频段,是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的。这就为2.4G无线技术可发展性提供了必要的有利条件。而且2.4G无线技术不同于之前的27MHz无线技术,它的工作方式是全双工模式传输,在抗干扰性能上要比27MHz有着绝对的优势。这个优势决定了它的超强抗干扰性以及最大可达10米的传输距离。此外2.4G无线技术还拥有理论上2M的数据传输速率,比蓝牙的1M理论传输速率提高了一倍。这就为以后的应用层提高了可靠的保障。综合2.4G、蓝牙以及27MHz这三种常用的无线传输技术,2.4G有着自己独到的优势所在。相比蓝牙它的产品制造成本更低,提供的数据传输速率更高。相比同样免费的27MHz无线技术它的抗干扰性、最大传输距离以及功耗都远远超出。

2.4G无线鼠标

2.4G无线键鼠套装已经出现有一段时间了,而且一直稳定占据着中低端无线键鼠的市场。蓝牙目前还是被作为高端无线技术应用在键鼠之上。市场份额相对较少但是却不可或缺,因为蓝牙有本身相对开放的连接协议。而不是2.4G无线的通过兑码实现的点对点连接。不过,因为键鼠的身份比较特殊,一台电脑一套键鼠已经足以应付。不像PSP或是手机那样本身就是一个载体可以利用蓝牙的点对面功能收发数据,这就决定了2.4G无线技术在键鼠产品上是未来的发展趋势所在。

2.4G无线键盘

既然是未来的发展趋势,被用户广泛应用是时间迟早的问题。讲究便携、抗干扰、以及传输距离的HTPC用户恰好和2.4G无线技术的诸多特点相融合。如今很多知名的键鼠厂商已经把未来的无线技术产品发展方向对准了2.4G。有了大的厂商带动,相信越来越多的用户会对2.4G无线键鼠产品产生浓厚的兴趣。


2.4G无线键鼠收发模块介绍


通过我们一直以来对市场中大部分品牌的资料收集,基本目前市场中的2.4G无线键鼠产品所用到的无线收发模块都是NRF24L01芯片,此款芯片出自挪威著名IC芯片公司Nordic。