射频电路(PCB)设计技巧

2022-12-30

设计一个完美的射频电路PCB,防止并抑制电磁干扰、提高电磁兼容性是一个非常重要的课题。同一电路,不同的PCB设计结构,其性能会相差很大,本文针对RF电路的PCB的设计(包括元件布局、布线与接地等技巧)作分析说明。

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1、元件布局

元器件应尽可能同一方向排列,通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象。

1.1、把PCB划分成数字区和模拟区

任何PCB设计的第一步当然是选择每个元件的PCB摆放位。我们把这一步称为“布板考虑”。合理的元件布局可以减少信号互连、地线分割、噪音耦合以及占用电路板的面积。电磁兼容性要求每个电路模块PCB设计时尽量不产生电磁辐射,并且具有一定的抗电磁干扰能力,元器件的布局还直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力,直接影响到电路的性能。因此,在进行RF电路PCB设计时还须考虑如何减小各部分电路之间相互干扰、如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。RF电路效果的优劣不仅取决于其本身的性能,还很大程度上取决于与处理器间的相互影响。RF电路包含数字和模拟电路,为防止数字噪声对敏感的模拟电路干扰,应将二者分隔开,把PCB划分成数字区和模拟区有助于改善此类电路性能,很重要。

1.2、需要防止RF噪声耦合

设计中需要需要防止RF噪声耦合,在将PCB划分成模拟和数字后,需要考虑模拟部分的元件布局。元件布局要使信号的路径最短,所有输入引线对RF信号来说都是一个天线,缩短引线长度有助于降低天线辐射效应。

2、元件布局应注意的问题

认真分析电路结构。对电路进行分块处理(如高频放大电路、混频电路及解调电路等),尽可能将强电信号和弱电信号分开,在将数字电路和模拟电路分开后,应注意将完成同一功能的电路尽量安排在一定范围内,减小信号环路面积。各部分电路的滤波网络必须就近连接,这样不仅可以减小辐射,还能减少被干扰的机率及提高电路的抗干扰能力。

根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组。对电路中易受干扰部分的元器件,在布局时应尽量避开干扰源(比如MCU等)。

3、布线原则与技巧

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3.1、布线的基本原则

尽量选用低密度布线设计,信号走线尽量粗细一致,有利于阻抗匹配。对于RF电路,信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计,可能造成信号传输线之间的交叉干扰。电源走线尽量短而宽,如果使用长而细的电源走线,会增大电源纹波。与短而宽的引线相比,又长又细的引线阻抗较大,引线阻抗产生的电流变化会转变成电压变化、馈送到器件内部。为了优化性能,放大器电源应使用尽可能短的引线。

3.2、布线技巧

布线时,所有走线应远离PCB板的边框(2mm左右),以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。电源线要尽可能宽,以减少环路电阻,同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,以提高抗干扰能力。信号线应尽可能短,并尽量减少过孔数日。各元器件间的连线越短越好,以减少分布参数和相互间的电磁干扰。对于不相容的信号线应尽量相互远离,避免平行走线,正反两面的信号线应互相垂直,布线时拐角135°角为宜.避免拐直角。

4、接地

在射频电路PCB设计中,电源线和地线的正确布线显得尤其重要,合理的设计是克服电磁干扰的最重要手段。PCB上很多干扰源是通过电源和地线产生的,地线引起的噪声干扰最大,地线容易形成电磁干扰的主要原因于地线存在阻抗。当有电流流过地线时,会在其上产生电压,从而产生地线环路电流,形成地线的环路干扰。当多个电路共用一段地线时,就会形成公共阻抗耦合,从而产生所谓的地线噪声。

RF电路地线布线时应做到:

4.1对电路进行分块处理,射频电路基本上可分成高频放大、混频、解

调、本振等部分,要为各个电路模块提供一个公共电位参考点,即各模

块电路各自的地线。然后汇总于射频电路接入地线的地方,即汇总于总

地线。由于只存在一个参考点,就没有公共阻抗耦合存在,从而也就没

有相互干扰问题。

4.2数字区与模拟区尽可能地线进行隔离,并且数字地与模拟地要分离,

最后接于电源地。在空间允许的情况下,各模块之间最好能以地线进行

隔离,防止相互之间的信号耦合效应。系统中接地有两个重要考虑:首先

它是流过器件的电流返回路径,其次是数字和模拟电路的参考电位。

4.3为数字电路建立一个连续的地平面。地层的数字电流通过信号路径

返回,该环路的面积应保持最小,以降低天线效应和寄生电感。确保所

有数字信号引线有对应的接地通路,这一层应该与数字信号引线覆盖相

同的面积,具有尽可能少的断点。地层的断点,包括过孔,会使地电流

流过更大的环路,因而产生更大的辐射和噪声。

4.4保证地电流隔离。数字电路和模拟电路的地电流要保持隔离,以阻

止数字电流对模拟电路的干扰。为了达到这一目标,需要正确排列元件。

如果把模拟电路布置在PCB的一个区域,数字电路布置在另一区域,地

电流会自然隔离开。最好使模拟电路有独立的PCB分层。

4.5模拟电路采用星形接地。星形接地是将PCB的一点看作公共接地点,

而且只有这一点被当作地电位,比如手机,电池地通常被作为星形接地

点,流入地平面的电流不会自动消失,所有都将汇入到这个接地点。

4.6最大化旁路电容作用。有的器件需要一个旁路电容,以提供电源不能

提供的瞬态电流。这些电容需尽可能靠近电源引脚放置,以减少电容和

器件引脚之间的寄生电感,电感会降低旁路电容的作用。

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