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射频电路PCB设计失败,只应降低干扰太多?

更新时间:2020-01-11 20:11点击:

由于射频(RF)电路为分布参数电路,在电路的实际工作中容易产生趋肤效应和耦合效应,所以在实际的PCB设计中,会发现电路中的干扰辐射难以控制,如:数字电路和模拟电路之间相互干扰、供电电源的噪声干扰、地线不合理带来的干扰等问题。正因为如此,如何在PCB的设计过程中,权衡利弊寻求一个合适的折中点,尽可能地减少这些干扰,甚至能够避免部分电路的干涉,是射频电路PCB设计成败的关键。本文从PCB的Layout角度,提供了一些处理的技巧,对提高射频电路的抗干扰能力有较大的用处。

 

01

RF布局

 

这里讨论的主要是多层板的元器件位置布局。元器件位置布局的关键是固定位于RF路径上的元器件,通过调整其方向,使RF路径的长度最小,并使输入远离输出,尽可能远地分离高功率电路和低功率电路,敏感的模拟信号远离高速数字信号和RF信号。

 

在布局中常采用以下一些技巧。

 

1.1 一字形布局

 

RF主信号的元器件尽可能采用一字形布局,如图1所示。但是由于PCB板和腔体空间的限制,很多时候不能布成一字形,这时候可采用L形,最好不要采用U字形布局(如图2所示),有时候实在避免不了的情况下,尽可能拉大输入和输出之间的距离,至少1.5cm以上。

 

图1 一字形布局

 

图2 L形和U字形布局

 

另外在采用L形或U字形布局时,转折点最好不要刚进入接口就转,如图3左所示,而是在稍微有段直线以后再转,如图3右图所示。

 

图3 两种方案

 

1.2 相同或对称布局

 

相同的模块尽可能做成相同的布局或对称的布局,如图4、图5所示。

 

图4 相同布局

 

图5 对称布局

 

1.3 十字形布局

 

偏置电路的馈电电感与RF通道垂直放置,如图6所示,主要是为了避免感性器件之间的互感。

 

图6 十字形布局

 

1.4 45度布局

 

为合理的利用空间,可以将器件45度方向布局,使射频线尽可能短,如图7所示。

 

图7 45度布局

 

02

RF布线

 

布线的总体要求是:RF信号走线短且直,减少线的突变,少打过孔,不与其它信号线相交,RF信号线周边尽量多加地过孔。

 

以下是一些常用的优化方式:

 

2.1 渐变线处理

 

在射频线宽比IC器件管脚的宽度大比较多的情况下,接触芯片的线宽采用渐变方式,如图8所示。

 

图8 渐变线

 

2.2 圆弧线处理

 

射频线不能直的情况下,作圆弧线处理,这样可以减少RF信号对外的辐射和相互问的耦合。有实验证明,传输线的拐角采用变曲的直角,能最大限度的降低回损。如图9所示。

 

图9 圆弧线

 

2.3 地线和电源

 

地线尽可能粗。在有条件的情况下,PCB的每一层都尽可能的铺地,并使地连到主地上,多打地过孔,尽量降低地线阻抗。

 

RF电路的电源尽量不要采用平面分割,整块的电源平面不但增加了电源平面对RF信号的辐射,而且也容易被RF信号的干扰。所以电源线或平面一般采用长条形状,根据电流的大小进行处理,在满足电流能力的前提下尽可能粗,但是又不能无限制的增宽。在处理电源线的时候,一定要避免形成环路。

 

电源线和地线的方向要与RF信号的方向保持平行但不能重叠,在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。

 

2.4 十字交叉处理

 

RF信号与IF信号走线十字交叉,并尽可能在他们之间隔一块地。

 

RF信号与其他信号走线交叉时,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。这里的其他信号走线也包括电源线。

 

2.5 包地处理

 

对射频信号、干扰源、敏感信号及其他重要信号进行包地处理,这样既可以提高该信号的抗干扰能力,也可以减少该信号对其他信号的干扰。如图10所示。

 

图10 包地处理

 

2.6 铜箔处理

 

铜箔处理要求圆滑平整,不允许有长线或尖角,若不能避免,则在尖角、细长铜箔或铜箔的边缘处补几个地过孔。

 

2.7 间距处理

 

射频线离相邻地平面边缘至少要有3W的宽度,且3W范围内不得有非接地过孔。

 

图11 间距

 

同层的射频线要作包地处理,并在地铜皮上加地过孔,孔间距应小于信号频率所对应波长(λ)的1/20,均匀排列整齐。包地铜皮边缘离射频线2W的宽度或3H的高度,H表示相邻介质层的总厚度。

 

03

腔体处理

 

对整个RF电路,应把不同模块的射频单元用腔体隔离,特别是敏感电路和强烈辐射源之间,在大功率的多级放大器中,也应保证级与级之间的隔离。整个电路支流放置好后,就是对屏蔽腔的处理,屏蔽腔体的处理有以下注意事项:

 

整个屏蔽腔体尽量做成规则形状,便于铸模。对于每一个屏蔽腔尽量做成长方形,避免正方形的屏蔽腔。腔体处理如图12所示。

 

图12 腔体

 

屏蔽腔体的周边是密封的,接口的线引入腔体一般采用带状线或微带线,而腔体内部不同模块采用微带线,不同腔体相连处采用开槽处理,开槽的宽度为3mm,微带线走在正中间。

 

腔体的拐角放置3mm的金属化孔,用来固定屏蔽壳,在每支长的腔体上也要均匀放置同等的金属化孔,用来加固支撑作用。

 

腔体一般做开窗处理,便于焊接屏蔽壳,腔体上一般厚2 mm以上,腔体上加2排开窗过孔屏,过孔相互错开,同一排过孔之间间距150MIL。

 

04

结束

 

射频电路PCB设计成败的关键在于如何减少电路辐射,从而提高抗干扰能力,但是在实际的布局与布线中一些问题的处理是相冲突的,因此如何寻求一个折中点,使整个射频电路的综合性能达到最优,是设计者必须要考虑的问题。

 

所有这些都要求设计者具有一定的实践经验和工程设计能力,但是要具备这些能力,每一个设计者都不可能一蹴而就的,只有从其他人那里借鉴经验,加上自己的不停摸索和思考,才能不断进步。本文总结工作中的一些设计经验,有利于提高射频电路PCB的抗干扰能力,帮助射频电路设计初学者少走不必要的弯路。

 

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