RF在PCB設(shè)計(jì)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹

1)小功率的RF的PCB設(shè)計(jì)中，主要使用標(biāo)準(zhǔn) 的FR4材料(絕緣特性好、材質(zhì)均勻、介電常數(shù)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(hào)層之間的FR4介質(zhì)較厚，為了使得RF信號(hào)線阻抗達(dá)到50歐，往往信號(hào)走線的 寬度在2mm左右，使得板子的空間分布很難控制。對(duì)于四層板，一般情況下頂層只走RF信號(hào)線，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(shù)字信號(hào)線(比如設(shè)定ADF4360系列PLL的clk、data、LE信號(hào)線。)第三層的電源最好不要做成一個(gè)連續(xù)的平面，而是讓各個(gè)RF器件的電 源走線呈星型分布，最后接于一點(diǎn)。第三層RF器件的電源走線不要和底層的數(shù)字線有交叉。

2)對(duì)于一個(gè)混合信號(hào)的PCB，RF部分和模擬 部分應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離數(shù)字?jǐn)?shù)字部分(這個(gè)距離通常在2cm以上，至少保證1cm)，數(shù)字部分的接地應(yīng)當(dāng)與RF部分分隔開。嚴(yán)禁使用開關(guān)電源直接給RF部分供電。主 要在于開關(guān)電源的紋波會(huì)將RF部分的信號(hào)調(diào)制。這種調(diào)制往往會(huì)嚴(yán)重破壞射頻信號(hào)，導(dǎo)致致命的結(jié)果。通常情況下，對(duì)于開關(guān)電源的輸出，可以經(jīng)過大的扼流圈， 以及π濾波器，再經(jīng)過線性穩(wěn)壓的低噪音LDO(Micrel的MIC5207、MIC5265系列，對(duì)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(yīng)當(dāng)緊密的排布， 確保各個(gè)元件之間的連線最短。對(duì)于ADF4360-7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帶來的分布串聯(lián)電感最小。對(duì)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(yīng)當(dāng)在離 引腳盡可能近的地方打過孔與地層(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?yàn)楸碣N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(nèi)部走線帶來的附加參數(shù)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(duì)提高電路的穩(wěn)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(shè)置單獨(dú)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(duì)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(nèi)的VCO、PFD以及數(shù)字 部分供電。這三個(gè)部分實(shí)現(xiàn)了完全不同的功能，工作頻率也不一樣。一旦數(shù)字部分低頻率的噪音通過電源走線傳到了VCO部分，那么VCO輸出頻率則可能被這個(gè) 噪音調(diào)制，出現(xiàn)難以消除的雜散。為了防止這樣的情況出現(xiàn)，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(dú)的去偶電容外，還必須經(jīng)過一個(gè)電感磁珠 (10uH左右)再連到一起。這種設(shè)計(jì)對(duì)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(duì) 于PCB上RF信號(hào)的饋入、饋出，一定要使用專門的RF同軸連接器。其中最為常用的是SMA型的連接器。對(duì)于SMA的連接器而言，又分為直插式的和微帶式 的。對(duì)于頻率在3GHz以下的信號(hào)，而且信號(hào)的功率不大，并且我們不計(jì)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(hào)的頻率進(jìn)一步提高，則 我們需要慎重選擇RF連接線材以及RF的連接器。此時(shí)直插式的SMA連接器由于其結(jié)構(gòu)(主要是拐彎)可能會(huì)導(dǎo)致比較大的信號(hào)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連接器來解決問題。同樣如果你的頻率不高，但是苛求插損、功率等方面的指標(biāo)，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(hào)，對(duì)于SMB連接器而言，一般這一類連接器只支持2GHz以下的信號(hào)傳輸，而且SMB連接器 采用的卡扣結(jié)構(gòu)在高振動(dòng)場(chǎng)合會(huì)出現(xiàn)“閃斷”的情況。所以在選擇SMB連接器時(shí)要慎重考慮。多數(shù)的RF連接器都有500次插拔限制，插拔過于頻繁可能永久損 壞連接器，所以在調(diào)試RF電路的時(shí)候就不要把RF連接器當(dāng)螺絲擰著玩了。由于SMB的PCB座的部分是針式結(jié)構(gòu)(公)，所以頻繁插拔對(duì)焊在PCB一端的連 接器損耗相對(duì)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(cuò)的選擇。另外對(duì)于那些對(duì)空間要求極高的場(chǎng)合，還有GDR一類的微型連接 器供選擇。對(duì)于那些阻抗即便不是50歐、低頻率、小信號(hào)、精密直流等模擬信號(hào)或者數(shù)字部分的高頻時(shí)鐘、低抖動(dòng)時(shí)鐘、高速串行信號(hào)等數(shù)字信號(hào)都可以使用 SMA作為饋出饋入的連接器。

7)在設(shè)計(jì)RF PCB的時(shí)候，對(duì)于RF信號(hào)的走線的寬度是有嚴(yán)格的規(guī)定的。設(shè)計(jì)的時(shí)候要根據(jù)PCB的厚度和介電常數(shù)需要嚴(yán)格計(jì)算、仿真走線在對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)上的阻抗，以確保 其為50歐(CATV的標(biāo)準(zhǔn)為75歐)。然而，并不是時(shí)時(shí)刻刻我們都需要嚴(yán)格的阻抗匹配，在某些情況下，較小的阻抗失配可能無關(guān)大礙(比如40歐~60 歐);而且，即便你對(duì)板子的仿真是基于理想情況下做的，實(shí)際交給PCB廠生產(chǎn)的時(shí)候，廠商所使用的工藝會(huì)導(dǎo)致板子的實(shí)際阻抗和仿真結(jié)果相差千里。所以對(duì)于小信號(hào)RF PCB的阻抗匹配這樣的問題，我的建議是：Step-1: 和PCB廠適當(dāng)溝通，獲得對(duì)應(yīng)厚度、對(duì)用層數(shù)的板子50歐走線的寬度范圍;Step-2: 在這個(gè)寬度范圍內(nèi)選擇一個(gè)合適的寬度統(tǒng)一應(yīng)用在所有50歐的RF信號(hào)線上;Step-3: 在PCB 交付生產(chǎn)的時(shí)候，在Script上注明所有這個(gè)寬度的線做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了(而對(duì)于PCB生產(chǎn)廠而 言，他們會(huì)在你所設(shè)計(jì)的PCB外延以拼版的形勢(shì)制作一個(gè)阻抗條，在出廠的時(shí)候測(cè)試一個(gè)阻抗條上的一個(gè)對(duì)應(yīng)寬度的樣本走線的阻抗來大致確定板子上同樣寬度走 線的阻抗。最后這個(gè)阻抗條被PCB廠切下并回收，而不會(huì)被你看到)。而不同的頻率，同一寬度的線所表現(xiàn)出的阻抗會(huì)略有不同，但是這個(gè)差別一般在10%以 內(nèi)。當(dāng)然你也可以編寫一個(gè)很復(fù)雜的阻抗設(shè)定腳本，讓紙板廠根據(jù)他們的工藝微調(diào)不同頻率上工作的走線的寬度使得其阻抗被嚴(yán)格的設(shè)定為50歐，然后要求PCB 廠對(duì)每一根線做篩選。這樣做導(dǎo)致成本呈對(duì)數(shù)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(dǎo)致阻 抗的偏差。這樣的情況是極為少見的，因?yàn)榧幢闶蔷艿腞F測(cè)試測(cè)量?jī)x器，RF小信號(hào)的走線阻抗的微弱失配(5%以內(nèi))帶來的誤差可以很輕易的被軟件校正; 而對(duì)于相對(duì)粗糙的通信機(jī)而言，就更不必在意那5%的差別了。但我要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于LNA(低噪放)和PA(功放)部分 的RF電路而言，RF走線的阻抗問題則非常敏感，但所幸的是無論是LNA電路還是PA電路，走線上的頻率一定是一樣的，而且走線數(shù)量少(無非也就輸入和輸 出兩個(gè)節(jié)點(diǎn))。此時(shí)我建議在敏感場(chǎng)合，LNA和PA單獨(dú)做板，使用介質(zhì)介電常數(shù)分布均勻的高品質(zhì)RF專用的PCB板材(Rogers/Arlon/Taconics)，在RF信號(hào)線部分不使用阻焊油(也稱綠油)，避免阻焊帶來阻抗的漂移;并 且要求PCB制板廠提供阻抗測(cè)試報(bào)告。因?yàn)長(zhǎng)NA電路的輸入部分本身的信號(hào)功率已經(jīng)非常小(-150dBm以下)，阻抗失配帶來的插損進(jìn)一步降低了寶貴的 信號(hào)強(qiáng)度;對(duì)于PA電路而言，由于其工作在很高的功率，阻抗失配帶來的插損可以消耗很大的能量(比較一下，插損同為1dB：10dBm信號(hào)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的插損可能帶來火光四濺的效果.

8)對(duì)于那些在PCB上實(shí)現(xiàn)那些在ADS、 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(shè)計(jì)VCO)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等 等，則一定要好好的與PCB廠溝通，使用厚度、介電常數(shù)等指標(biāo)嚴(yán)格和仿真時(shí)所使用的指標(biāo)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(gòu)買對(duì) 應(yīng)的板材，然后委托PCB廠加工。

9)在RF電路中，我們往往會(huì)用到晶體振蕩器作 為頻標(biāo)，這種晶振可能是TCXO、OCXO或者普通的晶振。對(duì)于這樣的晶振電路一定要遠(yuǎn)離數(shù)字部分，而且使用專門的低噪音供電系統(tǒng)。而更重要的是晶振可能 隨著環(huán)境溫度的變化產(chǎn)生頻率飄移，對(duì)于TCXO和OCXO而言，仍然會(huì)出現(xiàn)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(duì)環(huán)境 溫度非常敏感。對(duì)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)，來降低環(huán)境溫度的突然變化導(dǎo)致晶振的頻率的漂移。當(dāng)然這樣會(huì) 導(dǎo)致體積和成本上的提升.