編輯:欣達電子 發(fā)表日期 : 2019-05-22 閱讀量:320
1)小功率的RF的PCB設計中,主要使用標準 的FR4材料(絕緣特性好、材質(zhì)均勻、介電常數ε=4,10%)。主要使用4層~6層板,在成本非常敏感的情況下可以使用厚度在1mm以下的雙面板,要保 證反面是一個(gè)完整的地層,同時(shí)由于雙面板的厚度在1mm以上,使得地層和信號層之間的FR4介質(zhì)較厚,為了使得RF信號線(xiàn)阻抗達到50歐,往往信號走線(xiàn)的 寬度在2mm左右,使得板子的空間分布很難控制。對于四層板,一般情況下頂層只走RF信號線(xiàn),第二層是完整的地,第三層是電源,底層一般走控制RF器件狀 態(tài)的數字信號線(xiàn)(比如設定ADF4360系列PLL的clk、data、LE信號線(xiàn)。)第三層的電源最好不要做成一個(gè)連續的平面,而是讓各個(gè)RF器件的電 源走線(xiàn)呈星型分布,最后接于一點(diǎn)。第三層RF器件的電源走線(xiàn)不要和底層的數字線(xiàn)有交叉。
2)對于一個(gè)混合信號的PCB,RF部分和模擬 部分應當遠離數字數字部分(這個(gè)距離通常在2cm以上,至少保證1cm),數字部分的接地應當與RF部分分隔開(kāi)。嚴禁使用開(kāi)關(guān)電源直接給RF部分供電。主 要在于開(kāi)關(guān)電源的紋波會(huì )將RF部分的信號調制。這種調制往往會(huì )嚴重破壞射頻信號,導致致命的結果。通常情況下,對于開(kāi)關(guān)電源的輸出,可以經(jīng)過(guò)大的扼流圈, 以及π濾波器,再經(jīng)過(guò)線(xiàn)性穩壓的低噪音LDO(Micrel的MIC5207、MIC5265系列,對于高電壓,大功率的RF電路,可以考慮使用 LM1085、LM1083等)得到供給RF電路的電源。
3)RF的PCB中,各個(gè)元件應當緊密的排布, 確保各個(gè)元件之間的連線(xiàn)最短。對于A(yíng)DF4360-7的電路,在pin-9、pin-10引腳上的VCO電感與ADF4360芯片間的距離要盡可能的短, 保證電感與芯片間的連線(xiàn)帶來(lái)的分布串聯(lián)電感最小。對于板子上的各個(gè)RF器件的地(GND)引腳,包括電阻、電容、電感與地(GND)相接的引腳,應當在離 引腳盡可能近的地方打過(guò)孔與地層(第二層)連通。
4)在選擇在高頻環(huán)境下工作元器件時(shí),盡可能使 用表貼器件。這是因為表貼元件一般體積小,元件的引腳很短。這樣可以盡可能減少元件引腳和元件內部走線(xiàn)帶來(lái)的附加參數的影響。尤其是分立的電阻、電容、電 感元件,使用較小的封裝(0603\0402)對提高電路的穩定性、一致性是非常有幫助的;
5)在高頻環(huán)境下工作的有源器件,往往有一個(gè)以 上的電源引腳,這個(gè)時(shí)候一定要注意在每個(gè)電源的引腳附近(1mm左右)設置單獨的去偶電容,容值在100nF左右。在電路板空間允許的情況下,建議每個(gè)引 腳使用兩個(gè)去偶電容,容值分別為1nF和100nF。一般使用材質(zhì)為X5R或者X7R的陶瓷電容。對于同一個(gè)RF有源器件,不同的電源引腳可能為這個(gè)器件 (芯片)中不同的官能部分供電,而芯片中的各個(gè)官能部分可能工作在不同的頻率上。比如ADF4360有三個(gè)電源引腳,分別為片內的VCO、PFD以及數字 部分供電。這三個(gè)部分實(shí)現了完全不同的功能,工作頻率也不一樣。一旦數字部分低頻率的噪音通過(guò)電源走線(xiàn)傳到了VCO部分,那么VCO輸出頻率則可能被這個(gè) 噪音調制,出現難以消除的雜散。為了防止這樣的情況出現,在有源RF器件的每個(gè)官能部分的供電引腳除了使用單獨的去偶電容外,還必須經(jīng)過(guò)一個(gè)電感磁珠 (10uH左右)再連到一起。這種設計對于那些包含了LO緩沖放大和RF緩沖放大的有源混頻器LO-RF、LO-IF的隔離性能的提升是非常有利的。
6)對 于PCB上RF信號的饋入、饋出,一定要使用專(zhuān)門(mén)的RF同軸連接器。其中最為常用的是SMA型的連接器。對于SMA的連接器而言,又分為直插式的和微帶式 的。對于頻率在3GHz以下的信號,而且信號的功率不大,并且我們不計較微弱的插損,則完全可以使用直插式的SMA連接器。如果信號的頻率進(jìn)一步提高,則 我們需要慎重選擇RF連接線(xiàn)材以及RF的連接器。此時(shí)直插式的SMA連接器由于其結構(主要是拐彎)可能會(huì )導致比較大的信號插損。此時(shí)可以使用質(zhì)量較好 (關(guān)鍵在于連接器所使用了PTFE絕緣子材料)的微帶SMA連接器來(lái)解決問(wèn)題。同樣如果你的頻率不高,但是苛求插損、功率等方面的指標,同樣可以考慮微帶 SMA連接器。另外小型的RF連接器還有SMB、SMC等型號,對于SMB連接器而言,一般這一類(lèi)連接器只支持2GHz以下的信號傳輸,而且SMB連接器 采用的卡扣結構在高振動(dòng)場(chǎng)合會(huì )出現“閃斷”的情況。所以在選擇SMB連接器時(shí)要慎重考慮。多數的RF連接器都有500次插拔限制,插拔過(guò)于頻繁可能永久損 壞連接器,所以在調試RF電路的時(shí)候就不要把RF連接器當螺絲擰著(zhù)玩了。由于SMB的PCB座的部分是針式結構(公),所以頻繁插拔對焊在PCB一端的連 接器損耗相對較小,降低了維修的難度,所以在這樣的情況下SMB連接器也是一種不錯的選擇。另外對于那些對空間要求極高的場(chǎng)合,還有GDR一類(lèi)的微型連接 器供選擇。對于那些阻抗即便不是50歐、低頻率、小信號、精密直流等模擬信號或者數字部分的高頻時(shí)鐘、低抖動(dòng)時(shí)鐘、高速串行信號等數字信號都可以使用 SMA作為饋出饋入的連接器。
7)在設計RF PCB的時(shí)候,對于RF信號的走線(xiàn)的寬度是有嚴格的規定的。設計的時(shí)候要根據PCB的厚度和介電常數需要嚴格計算、仿真走線(xiàn)在對應的頻點(diǎn)上的阻抗,以確保 其為50歐(CATV的標準為75歐)。然而,并不是時(shí)時(shí)刻刻我們都需要嚴格的阻抗匹配,在某些情況下,較小的阻抗失配可能無(wú)關(guān)大礙(比如40歐~60 歐);而且,即便你對板子的仿真是基于理想情況下做的,實(shí)際交給PCB廠(chǎng)生產(chǎn)的時(shí)候,廠(chǎng)商所使用的工藝會(huì )導致板子的實(shí)際阻抗和仿真結果相差千里。所以對于小信號RF PCB的阻抗匹配這樣的問(wèn)題,我的建議是:Step-1: 和PCB廠(chǎng)適當溝通,獲得對應厚度、對用層數的板子50歐走線(xiàn)的寬度范圍;Step-2: 在這個(gè)寬度范圍內選擇一個(gè)合適的寬度統一應用在所有50歐的RF信號線(xiàn)上;Step-3: 在PCB 交付生產(chǎn)的時(shí)候,在上注明所有這個(gè)寬度的線(xiàn)做50歐阻抗匹配。
此時(shí)就不需要啰里八嗦的指出一大堆需要做阻抗匹配的線(xiàn)了(而對于PCB生產(chǎn)廠(chǎng)而 言,他們會(huì )在你所設計的PCB外延以拼版的形勢制作一個(gè)阻抗條,在出廠(chǎng)的時(shí)候測試一個(gè)阻抗條上的一個(gè)對應寬度的樣本走線(xiàn)的阻抗來(lái)大致確定板子上同樣寬度走 線(xiàn)的阻抗。最后這個(gè)阻抗條被PCB廠(chǎng)切下并回收,而不會(huì )被你看到)。而不同的頻率,同一寬度的線(xiàn)所表現出的阻抗會(huì )略有不同,但是這個(gè)差別一般在10%以 內。
當然你也可以編寫(xiě)一個(gè)很復雜的阻抗設定腳本,讓紙板廠(chǎng)根據他們的工藝微調不同頻率上工作的走線(xiàn)的寬度使得其阻抗被嚴格的設定為50歐,然后要求PCB 廠(chǎng)對每一根線(xiàn)做篩選。這樣做導致成本呈對數上升,而且會(huì )產(chǎn)生大量的廢品率;而且在這樣的PCB實(shí)裝完畢后由于焊錫分布以及RF元件自身的因素仍然會(huì )導致阻 抗的偏差。這樣的情況是極為少見(jiàn)的,因為即便是精密的RF測試測量?jì)x器,RF小信號的走線(xiàn)阻抗的微弱失配(5%以?xún)?帶來(lái)的誤差可以很輕易的被軟件校正; 而對于相對粗糙的通信機而言,就更不必在意那5%的差別了。
但我要強調的是,對于LNA(低噪放)和PA(功放)部分 的RF電路而言,RF走線(xiàn)的阻抗問(wèn)題則非常敏感,但所幸的是無(wú)論是LNA電路還是PA電路,走線(xiàn)上的頻率一定是一樣的,而且走線(xiàn)數量少(無(wú)非也就輸入和輸 出兩個(gè)節點(diǎn))。此時(shí)我建議在敏感場(chǎng)合,LNA和PA單獨做板,使用介質(zhì)介電常數分布均勻的高品質(zhì)RF專(zhuān)用的PCB板材(Rogers/Arlon/Taconics),在RF信號線(xiàn)部分不使用阻焊油(也稱(chēng)綠油),避免阻焊帶來(lái)阻抗的漂移;并 且要求PCB制板廠(chǎng)提供阻抗測試報告。
因為L(cháng)NA電路的輸入部分本身的信號功率已經(jīng)非常小(-150dBm以下),阻抗失配帶來(lái)的插損進(jìn)一步降低了寶貴的 信號強度;對于PA電路而言,由于其工作在很高的功率,阻抗失配帶來(lái)的插損可以消耗很大的能量(比較一下,插損同為1dB:10dBm信號衰減為9dBm 和50dBm衰減為49dBm所消耗的能量的差別,呵呵,后者可以產(chǎn)生20W的熱量)在一些功率上千瓦的PA中,1dB的插損可能帶來(lái)火光四濺的效果.
8)對于那些在PCB上實(shí)現那些在A(yíng)DS、 HFSS等仿真工具里面仿真生成的RF微帶電路,尤其是那些定向耦合器、濾波器(PA的窄帶濾波器)、微帶諧振腔(比如你在設計VCO)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )等 等,則一定要好好的與PCB廠(chǎng)溝通,使用厚度、介電常數等指標嚴格和仿真時(shí)所使用的指標一致的板材。最好的解決辦法是自己找微波PCB板材的代理商購買(mǎi)對 應的板材,然后委托PCB廠(chǎng)加工。
9)在RF電路中,我們往往會(huì )用到晶體振蕩器作 為頻標,這種晶振可能是TCXO、OCXO或者普通的晶振。對于這樣的晶振電路一定要遠離數字部分,而且使用專(zhuān)門(mén)的低噪音供電系統。而更重要的是晶振可能 隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化產(chǎn)生頻率飄移,對于TCXO和OCXO而言,仍然會(huì )出現這樣的情況,只是程度小了一些而已。尤其是那些貼片的小封裝的晶振產(chǎn)品,對環(huán)境 溫度非常敏感。對于這樣的情況,我們可以在晶振電路上加金屬蓋(不要和晶振的封裝直接接觸),來(lái)降低環(huán)境溫度的突然變化導致晶振的頻率的漂移。當然這樣會(huì ) 導致體積和成本上的提升.