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5G必备!射频电路PCB设计处理技巧

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发表于 2021-1-14 10:47 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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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。

4 F. N6 z4 E+ t
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。文中从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。
3 e3 [6 @2 o  l* U
1、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。5 ~/ @3 H' R+ ~+ e% b7 t: A  ?1 _
! Y( Y" a% m( u, l% Q  x; R
在布局中常采用以下一些技巧。

/ y4 \* }) V# X2 J- I2 {. `
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。
( _3 r& D) G( }' F  g4 F; E1 I5 e
图1 一字形布局

: ?5 J% {& b6 i5 |/ c
图2 L形和U字形布局
$ P; W( J: @& C7 ~
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。

8 _: e1 P+ Z+ Z& u% c+ [
图3 两种方案

2 q* `* D4 k4 E; Z
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。
; y2 i9 S% R% q, c. p1 `/ J
图4 相同布局

/ ^5 ?; Q' U: J0 X1 s9 U( v" X
图5 对称布局
8 q- q1 w" S. B
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。
8 G0 I7 j* t1 v/ H4 B6 o
图6 十字形布局
' L+ V" y6 o8 S' P' [4 v
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。
! J3 A0 |5 G7 q: y% _
9 }$ w) b  i9 h5 I% G
图7 45度布局
2、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。

/ p% E1 C4 o9 O# c
以下是一些常用的优化方式:

- K7 Y. E. e" q
游客,如果您要查看本帖隐藏内容请回复
% D7 H: K, T! R. P
图8 渐变线

4 w3 P+ Y5 r! |( W
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。
( ]5 A. ~$ G4 r2 k4 c0 ~4 l+ d) M
图9 圆弧线

! u) X8 b$ A6 i. l: c7 I% ]+ i- |
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。
7 N: x. i1 K( C; C  p/ ~/ D
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。

3 m- [3 C+ k9 m( A' m* _. l
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。

+ _7 o. g/ T* j+ _0 I9 w
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。

9 N7 [" G/ A7 y; J9 f6 C! D" _/ r" H
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。

# Q" V2 R. `! y8 Z  X% \
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。
. j* m3 n' V( ?% L- I2 ~  g1 W
图10 包地处理
7 |5 Y2 Z" f$ N: Y' N- s/ U
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。

9 |# F/ [/ s2 g# h' p
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
" I" J. i. D2 n  p  s
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。
3、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:
3 s' t& U- o; o) k4 [
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。
1 g$ @0 K' u" k8 _. [% v) M
屏蔽腔的转角采用弧形,屏蔽金属腔体一般采用铸造成型,弧形的拐角便于铸造成型时候拔模。如图12所示。
. J4 @5 U8 J4 O3 t0 t
图12 腔体

# F: m' T- E/ K$ |
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。

) }) `- t& y) ~; G- d
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。
+ D  R! t2 F. q1 Y! X( ^* P  l: t; y
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。

2 h' l3 a4 p+ Y: p4、结束语
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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