成功的RF設計必須仔細注意整個設計過程中每個步驟及每個細節,這意味著必須在設計開始階段就要進行徹底的、仔細的規劃,并對每個設計步驟的進展進行全面持續的評估。而這種細致的設計技巧正是國內大多數電子企業文化所欠缺的。
近幾年來,由于藍牙設備、無線局域網絡(WLAN)設備,和移動電話的需求與成長,促使業者越來越關注RF電路設計的技巧。從過去到現在,RF電路板設計如同電磁干擾(EMI)問題一樣,一直是工程師們最難掌控的部份,甚至是夢魘。若想要一次就設計成功,必須事先仔細規劃和注重細節才能奏效。
射頻(RF)電路板設計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」(black art) 。但這只是一種以偏蓋全的觀點,RF電路板設計還是有許多可以遵循的法則。不過,在實際設計時,真正實用的技巧是當這些法則因各種限制而無法實施時,如何對它們進行折衷處理。重要的RF設計課題包括:阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長和諧波...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。
在WiFi 產品的開發過程中,射頻電路板的布線(RF Circuit Layout Guide)是極為關鍵的一個過程。很多時候,我們可能在原理上已經設計的很完善,但是在實際的制板,上件過后發現很不理想,實際上這些都是布線(Layout)做的不夠完善的原因。本文將以一個無線網卡的布線實例及本人的一點工作經驗為大家講解一下射頻電路在布線中應該注意的一些問題。
電路板的疊構(PCB Stack Up)
在進行布線之前,我們首先要確定電路板的疊構,就像蓋房子要先有房子的墻壁。電路板的疊構的確定與電路設計的復雜度,電磁兼容的考慮等很多因素有關。下圖給出了四層電路板,六層電路板和八電路層板的常用疊構方式。
圖1、四層板,六層板和八層板的常用疊構方式
在無線網卡的PCB疊構中,基本上不會出現單面板的情況,所以本文也不會對單面板的情況加以討論。
兩層板設計中應該注意的問題。
但是,在兩層板的情況下,就不一樣了。兩層板時,為了保證電路板的強度,我們不可能用很薄的電路板去做,這時,頂層和底層(參考面)之間的間距就會很大,如果還是用原來的辦法控制50歐姆的特性阻抗,那么頂層的走線必須很寬。例如我們假設板子的厚度是39.6mil(1mm),按照常規的做法,在Polar中設計,如下圖
圖2、運行Polar
線寬70mil,這是一個近乎荒謬的結論,簡直令人抓狂。在2.4GHz或者5GHz頻段,各種元件的引腳都是很小的,70mil的走線是無法實現的,于是,我們必須尋找另外一種解決方案。
運行Polar軟件,選擇Surface Coplanar Line這個模型,如下圖
令Height(H)=39.6mil, Track(W)=30mil, Track(W1)=30mil, Ground Plane處打勾,Thickness=1OZ=1.4mil, Separation(S)=7mil, Dielectric(Er)=4.2, 如下圖
圖3、設置參數
最終,我們計算出這種情況下的傳輸線特性阻抗為52.14歐姆
在四層板的設計中,我們一般會將第二層作為完整的地平面,同時,也會把重要的信號線走在頂層(當然包括射頻走線),以便于很好的控制阻抗。在六層板或者更多層板的設計中,我們同樣會將第二層作為完整的地平面,然后在頂層走最重要的信號線。
PS:可以使用Polar計算單端阻抗與阻抗等,有些Layout軟件自身就集成了阻抗計算器,如Allegro。
阻抗控制
在我們進行原理設計與仿真之后,在Layout中很值得注意的一件事情就是阻抗控制。眾所周知,我們應該盡量保證走線的特征是50歐姆,這主要和線寬有關,在本實例中,是兩層半,在Polar中采用Surface Coplanar Line模型進行阻抗的計算,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,對應的特征阻抗是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。
圖4、兩層板中的50歐姆走線
射頻元器件的擺放
相信做過射頻設計的人都應該知道,我們應該盡可能的使走線的長度較短,元器件擺放的越緊湊越好(特殊要求除外),同時,也會盡可能的保證元器件的擺放對布線很有利(不要使走線繞來繞去的)。如下圖,是射頻功率放大器(PA,Power Amplifier)的周圍器件的擺放,我們看到,元器件之間的距離很小。
圖5、射頻功率放大器(PA,Power Amplifier)的周圍器件的擺放
射頻走線應該注意的問題
如前所述,射頻走線的長度要盡量短,線寬嚴格按照計算好的值去設定。在走線是尤其要注意的是,射頻走線中不要有任何帶有尖狀的折點,在走線的轉折處,最好要用弧線來實現,如下圖
圖6、轉折處使用弧線
其次,在多層板的走線中,有可能重要的射頻線路板要產生不可避免的交叉,這時我們就要使用我們最不想使用的東西:過孔。這樣,會有部分射頻信號線走到底層甚至中間層,但無論是哪一層,射頻走線一定會有參考平面,這時一個值得注意的問題就是不要跨層,或者說不要使地平面不連續。
過孔的放置
過孔的放置真的是一件比較復雜的事情,本文只討論那種接地的過孔。
首先,射頻走線的旁邊的地線最好能通過過孔打穿,接到底層或者中間層的地平面上,這樣可以是任何干擾信號或者輻射有最短的到地的通路,但是,過孔與射頻信號線的距離又不能太近,否則會嚴重影響射頻信號質量,在實際的設計過程中可靈活把握,如下圖,我們看到,高亮的信號線兩層分布著很多過孔。
圖7、高亮的信號線兩層分布著很多過孔
其次,在面積較大的地平面處,我們通常會放置很多的過孔用于連接不同層的地。這在射頻電路的布線中,要注意的就是大過孔要沒有規律的打,最好能弄成菱形的,這樣可以最大限度的抑制各種干擾。