【经验】射频（RF）电路板的布局和简单设计分区

时间： 2019-07-16 来源：捷多邦

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射频线路板图

射频的含义

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。不过我们知道，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。

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。

射频电路板的设计

RF电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分，这要求工程师们必须仔细规划和注重细节。

RF布局

我们在RF的布局时，这些原则必须优先加以满足：

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，让高功率RF发射电路远离低功率RF接收电路。如果PCB板上有很多物理空间，那么可以很容易地做到这一点，但通常元器件很多，PCB空间较小，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）。

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，铜皮越多越好。

3、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。

4、RF输出通常需要远离RF输入，稍后我们将进行详细讨论。

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。

设计分区

设计分区由物理分区和电气分区组成。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。

物理分区
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。

尽管有以上问题，但金属屏蔽罩非常有效，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。
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，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

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。　
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，就不再这里累赘了。

总之，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。

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