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标题: RF PCB的设计 [打印本页]

作者: wxg1988 时间: 2011-12-2 16:39 标题: RF PCB的设计

为了学习RF PCB的设计特转本文。发现只有九条，呵呵。

1）小功率的RF的PCB设计中，主要使用标准的FR4材料（绝缘特性好、材质均匀、介电常数ε=4，10%）。主要使用4层~6层板，在成本非常敏感的情况下可以使用厚度在1mm以下的双面板，要保证反面是一个完整的地层，同时由于双面板的厚度在1mm以上，使得地层和信号层之间的FR4介质较厚，为了使得RF信号线阻抗达到50欧，往往信号走线的宽度在2mm左右，使得板子的空间分布很难控制。对于四层板，一般情况下顶层只走RF信号线，第二层是完整的地，第三层是电源，底层一般走控制RF器件状态的数字信号线（比如设定ADF4360系列PLL的clk、data、LE信号线。）第三层的电源最好不要做成一个连续的平面，而是让各个RF器件的电源走线呈星型分布，最后接于一点。第三层RF器件的电源走线不要和底层的数字线有交叉。

   2）对于一个混合信号的PCB，RF部分和模拟部分应当远离数字数字部分（这个距离通常在2cm以上，至少保证1cm），数字部分的接地应当与RF部分分隔开。严禁使用开关电源直接给RF部分供电。主要在于开关电源的纹波会将RF部分的信号调制。这种调制往往会严重破坏射频信号，导致致命的结果。通常情况下，对于开关电源的输出，可以经过大的扼流圈，以及π滤波器，再经过线性稳压的低噪音LDO（Micrel的MIC5207、MIC5265系列，对于高电压，大功率的RF电路，可以考虑使用LM1085、LM1083等）得到供给RF电路的电源。

   3）RF的PCB中，各个元件应当紧密的排布，确保各个元件之间的连线最短。对于ADF4360-7的电路，在pin-9、pin-10引脚上的VCO电感与ADF4360芯片间的距离要尽可能的短，保证电感与芯片间的连线带来的分布串联电感最小。对于板子上的各个RF器件的地（GND）引脚，包括电阻、电容、电感与地（GND）相接的引脚，应当在离引脚尽可能近的地方打过孔与地层（第二层）连通。

   4）在选择在高频环境下工作元器件时，尽可能使用表贴器件。这是因为表贴元件一般体积小，元件的引脚很短。这样可以尽可能减少元件引脚和元件内部走线带来的附加参数的影响。尤其是分立的电阻、电容、电感元件，使用较小的封装（0603\0402）对提高电路的稳定性、一致性是非常有帮助的；

   5）在高频环境下工作的有源器件，往往有一个以上的电源引脚，这个时候一定要注意在每个电源的引脚附近（1mm左右）设置单独的去偶电容，容值在100nF左右。在电路板空间允许的情况下，建议每个引脚使用两个去偶电容，容值分别为1nF和100nF。一般使用材质为X5R或者X7R的陶瓷电容。对于同一个RF有源器件，不同的电源引脚可能为这个器件（芯片）中不同的官能部分供电，而芯片中的各个官能部分可能工作在不同的频率上。比如ADF4360有三个电源引脚，分别为片内的VCO、PFD以及数字部分供电。这三个部分实现了完全不同的功能，工作频率也不一样。一旦数字部分低频率的噪音通过电源走线传到了VCO部分，那么VCO输出频率则可能被这个噪音调制，出现难以消除的杂散。为了防止这样的情况出现，在有源RF器件的每个官能部分的供电引脚除了使用单独的去偶电容外，还必须经过一个电感磁珠（10uH左右）再连到一起。这种设计对于那些包含了LO缓冲放大和RF缓冲放大的有源混频器LO-RF、LO-IF的隔离性能的提升是非常有利的。

6）对于PCB上RF信号的馈入、馈出，一定要使用专门的RF同轴连接器。其中最为常用的是SMA型的连接器。对于SMA的连接器而言，又分为直插式的和微带式的。对于频率在3GHz以下的信号，而且信号的功率不大，并且我们不计较微弱的插损，则完全可以使用直插式的SMA连接器。如果信号的频率进一步提高，则我们需要慎重选择RF连接线材以及RF的连接器。此时直插式的SMA连接器由于其结构（主要是拐弯）可能会导致比较大的信号插损。此时可以使用质量较好（关键在于连接器所使用了PTFE绝缘子材料）的微带SMA连接器来解决问题。同样如果你的频率不高，但是苛求插损、功率等方面的指标，同样可以考虑微带SMA连接器。另外小型的RF连接器还有SMB、SMC等型号，对于SMB连接器而言，一般这一类连接器只支持2GHz以下的信号传输，而且SMB连接器采用的卡扣结构在高振动场合会出现“闪断”的情况。所以在选择SMB连接器时要慎重考虑。多数的RF连接器都有500次插拔限制，插拔过于频繁可能永久损坏连接器，所以在调试RF电路的时候就不要把RF连接器当螺丝拧着玩了。由于SMB的PCB座的部分是针式结构（公），所以频繁插拔对焊在PCB一端的连接器损耗相对较小，降低了维修的难度，所以在这样的情况下SMB连接器也是一种不错的选择。另外对于那些对空间要求极高的场合，还有GDR一类的微型连接器供选择。对于那些阻抗即便不是50欧、低频率、小信号、精密直流等模拟信号或者数字部分的高频时钟、低抖动时钟、高速串行信号等数字信号都可以使用SMA作为馈出馈入的连接器。

   7）在设计RFPCB的时候，对于RF信号的走线的宽度是有严格的规定的。设计的时候要根据PCB的厚度和介电常数需要严格计算、仿真走线在对应的频点上的阻抗，以确保其为50欧（CATV的标准为75欧）。然而，并不是时时刻刻我们都需要严格的阻抗匹配，在某些情况下，较小的阻抗失配可能无关大碍（比如40欧~60欧）；而且，即便你对板子的仿真是基于理想情况下做的，实际交给PCB厂生产的时候，厂商所使用的工艺会导致板子的实际阻抗和仿真结果相差千里。所以对于小信号RFPCB的阻抗匹配这样的问题，我的建议是：Step-1:和PCB厂适当沟通，获得对应厚度、对用层数的板子50欧走线的宽度范围；Step-2:在这个宽度范围内选择一个合适的宽度统一应用在所有50欧的RF信号线上；Step-3: 在PCB交付生产的时候，在Script上注明所有这个宽度的线做50欧阻抗匹配。此时就不需要啰里八嗦的指出一大堆需要做阻抗匹配的线了（而对于PCB生产厂而言，他们会在你所设计的PCB外延以拼版的形势制作一个阻抗条，在出厂的时候测试一个阻抗条上的一个对应宽度的样本走线的阻抗来大致确定板子上同样宽度走线的阻抗。最后这个阻抗条被PCB厂切下并回收，而不会被你看到）。而不同的频率，同一宽度的线所表现出的阻抗会略有不同，但是这个差别一般在10%以内。当然你也可以编写一个很复杂的阻抗设定脚本，让纸板厂根据他们的工艺微调不同频率上工作的走线的宽度使得其阻抗被严格的设定为50欧，然后要求PCB厂对每一根线做筛选。这样做导致成本呈对数上升，而且会产生大量的废品率；而且在这样的PCB实装完毕后由于焊锡分布以及RF元件自身的因素仍然会导致阻抗的偏差。这样的情况是极为少见的，因为即便是精密的RF测试测量仪器，RF小信号的走线阻抗的微弱失配（5%以内）带来的误差可以很轻易的被软件校正；而对于相对粗糙的通信机而言，就更不必在意那5%的差别了。但我要强调的是，对于LNA（低噪放）和PA（功放）部分的RF电路而言，RF走线的阻抗问题则非常敏感，但所幸的是无论是LNA电路还是PA电路，走线上的频率一定是一样的，而且走线数量少（无非也就输入和输出两个节点）。此时我建议在敏感场合，LNA和PA单独做板，使用介质介电常数分布均匀的高品质RF专用的PCB板材（Rogers/Arlon/Taconics），在RF信号线部分不使用阻焊油（也称绿油），避免阻焊带来阻抗的漂移；并且要求PCB制板厂提供阻抗测试报告。因为LNA电路的输入部分本身的信号功率已经非常小（-150dBm以下），阻抗失配带来的插损进一步降低了宝贵的信号强度；对于PA电路而言，由于其工作在很高的功率，阻抗失配带来的插损可以消耗很大的能量（比较一下，插损同为1dB：10dBm信号衰减为9dBm和50dBm衰减为49dBm所消耗的能量的差别，呵呵，后者可以产生20W的热量）在一些功率上千瓦的PA中，1dB的插损可能带来火光四溅的效果，呵呵。

   8）对于那些在PCB上实现那些在ADS、HFSS等仿真工具里面仿真生成的RF微带电路，尤其是那些定向耦合器、滤波器（PA的窄带滤波器）、微带谐振腔（比如你在设计VCO）、阻抗匹配网络等等，则一定要好好的与PCB厂沟通，使用厚度、介电常数等指标严格和仿真时所使用的指标一致的板材。最好的解决办法是自己找微波PCB板材的代理商购买对应的板材，然后委托PCB厂加工。

   9）在RF电路中，我们往往会用到晶体振荡器作为频标，这种晶振可能是TCXO、OCXO或者普通的晶振。对于这样的晶振电路一定要远离数字部分，而且使用专门的低噪音供电系统。而更重要的是晶振可能随着环境温度的变化产生频率飘移，对于TCXO和OCXO而言，仍然会出现这样的情况，只是程度小了一些而已。尤其是那些贴片的小封装的晶振产品，对环境温度非常敏感。对于这样的情况，我们可以在晶振电路上加金属盖（不要和晶振的封装直接接触），来降低环境温度的突然变化导致晶振的频率的漂移。当然这样会导致体积和成本上的提升

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