PCB設(shè)計如何添加無線功能 淺談有源或無源GPS天線的目標

在PCB設(shè)計總經(jīng)常遇到添加無線功能的需求，這里我們以GPS模塊來講解。

有源或無源GPS天線的目標是什么？

“有源天線”具有內(nèi)置的低噪聲放大器（LNA），通常會通過同軸電纜（在機箱內(nèi)部或外部）連接到主印刷電路板（PCB），而無源天線設(shè)計沒有LNA通常安裝在天線元件上，通常直接安裝在PCB上。

“無源天線”設(shè)計更加復(fù)雜，如果未與PCB上的其他產(chǎn)生噪聲的組件正確隔離，則它們很容易受到噪聲耦合到天線接地層的影響。無源天線的設(shè)計也可能使測試變得復(fù)雜，因為需要設(shè)置和校準RF室，再輻射天線和GPS模擬器，以獲得一致的測試結(jié)果。

你需要哪種類型的天線元件？貼片，線性，芯片還是其他？

通常，尺寸為15至25mm的貼片天線（至少側(cè)面為40mm）將在便攜式設(shè)備中提供較好性能，但這對于你的應(yīng)用而言可能太大。這可能會迫使你查看較小的天線拓撲，例如線性或芯片天線。

但是，在芯片和貼片天線之間進行選擇時要注意一件事。貼片天線將在其各個側(cè)面接收信號，因此在其尺寸方面將提供較好的信號性能。線性GPS天線（芯片或偶極子）通常僅沿其軸之一接收信號。這導(dǎo)致線性天線設(shè)計的靈敏度至少比貼片天線高一半（即–3 dB左右），并且大多數(shù)靈敏度可能約為貼片天線的25％（即–6 dB）左右。

一些較新的芯片和F折疊設(shè)計在這一領(lǐng)域顯示出一定的希望。但是，一般使用你選擇的GPS芯片組或模塊制造商提供的評估套件，使用各種天線拓撲來評估你的GPS靈敏度需求，以確定最適合你的設(shè)計要求的評估套件。

如果天線設(shè)計不是你的專長，請考慮使用有源芯片或貼片天線模塊。這些單元提供了經(jīng)過測試的天線模塊，同時允許設(shè)計人員通過U.FL型連接器實現(xiàn)簡單的GPS模擬器測試接口。

無論選擇哪種天線設(shè)計，都還需要評估天線與外殼的間距，以消除天線失諧的影響。制造商可以調(diào)整貼片天線，以解決貼片天線附近塑料外殼的失諧影響，但這可能會增加設(shè)計成本。另一種選擇是選擇帶寬更大的天線，這通常意味著天線更高。

因此，你最終決定設(shè)計一個GPS芯片組解決方案，并選擇了天線拓撲。下一步是什么？首先，了解GPS信號強度可能會有所幫助。在信號方面，GPS傳輸（在地面上）的大信號強度約為–160 dBW（或–130 dBm），在大多數(shù)接收器設(shè)計中，它將比接收器的RF本底噪聲低約20 dB。

頻譜分析儀和其他通用RF設(shè)備將不會檢測到此信號。實際上，GPS接收器RF前端永遠不會有可跟蹤，探測或捕獲的模擬信號。檢測GPS信號存在的唯一實用方法是通過GPS接收器本身的相關(guān)過程。結(jié)果，所有GPS測試和性能指標都將包含來自GPS接收器的信號數(shù)據(jù)，這是測試過程不可或缺的一部分。

開始設(shè)計

此時，你可能已經(jīng)從GPS芯片組供應(yīng)商那里獲得了參考設(shè)計，并且希望復(fù)制它的成功。在設(shè)計規(guī)則的思想工具箱中根深蒂固的第一個概念是：GPS信號低于本底噪聲！重復(fù)一遍又一遍。

對于GPS接收器而言，通過電磁兼容性（EMC）測試的“安靜”設(shè)計可能不會那么安靜。在這個水平上，世界充滿了數(shù)字噪聲，因此一開始較好的設(shè)計策略是“隔離”。它不能保證無噪音的設(shè)計，但是應(yīng)該為你提供一個良好的開端。

圖1詳細描述了簡化的GPS接收器原理圖和布局，包括RF輸入（包括有源天線供電），LNA，一組匹配組件，表面聲波（SAW）濾波器，隔直電容，溫度控制晶體振蕩器（TCXO）和GPS RF芯片本身，都在RF屏蔽罩的保護下（稍后會詳細介紹）。

圖1

對于接地平面布局，你將需要將GPS接收器部分（或GPS射頻前端，如果是兩芯片解決方案）隔離到其自己的RF接地平面，該RF接地點在單個點連接到數(shù)字部分。這也是連接時鐘和數(shù)據(jù)線的首先選擇區(qū)域。然后，你將需要控制流入和流出GPS部分的電流。

通常，插入時鐘和數(shù)據(jù)路徑中的串聯(lián)電阻可以控制電流。串聯(lián)電阻極大程度地減小了信號改變狀態(tài)時出現(xiàn)的瞬時電流尖峰。另一個設(shè)計規(guī)則是要記住，接地是信號路徑上傳遞的能量的返回路徑。接地路徑應(yīng)始終與信號路徑相等或更大。

另外，你將需要在單獨的走線上（而不是在電源平面上）跟蹤GPS部分的電源。該規(guī)則的原因是，當電源層和接地層相互疊置時，它們將用PCB材料作為電介質(zhì)來制造平板電容器。

電源平面上的任何噪聲都將直接耦合到接地平面，從而產(chǎn)生噪聲。你可能還需要考慮在數(shù)字設(shè)計部分的其余部分中使用這種方法，因為某些數(shù)字噪聲可能會通過單點接地連接到達GPS RF部分。

帶狀線，過孔和走線阻抗控制

在完成元件放置并定義并隔離了接地平面之后，你將需要運行數(shù)字，RF和接地回路走線。對于RF信號路徑，你需要將阻抗設(shè)置為50。這是否意味著你需要阻抗控制的PCB？不必要。

如果你的PCB制造商允許你設(shè)置平面間距（或定義逐個批次保證的層間距），則可以自己控制。給定基于FR4的PCB材料，必要的走線寬度可以顯示為層間距的函數(shù)。

這些阻抗是使用“典型”阻燃劑4（FR4）介電常數(shù)4.5來計算的?；蛘?，你可以采用簡單的方法，并使用許多在線阻抗計算器之一來進行計算。

你仍將需要PCB介電常數(shù)值來計算走線寬度。由于FR4通常在4.3到4.7之間運行，因此在大多數(shù)情況下，數(shù)值4.5都可以使用，但是你應(yīng)該向PCB制造商進行驗證。1盎司銅的走線厚度通常約為35 μm，0.5盎司銅的走線厚度通常約為17 μm（對于內(nèi)層而言通常如此）。

在運行射頻走線時，你還需要考慮通孔對走線阻抗的影響。在GPS頻率下，每個通孔都充當一個小的電感器，最終結(jié)果是每個通孔會給你的走線增加大約10Ω的阻抗。如果在RF路徑中使用兩個過孔（例如，一個向下通到一個內(nèi)層，然后一個向下通到一個元件焊盤），則會增加20Ω的阻抗失配。

為避免這種情況，請將所有RF跡線保留在PCB的頂層（圖1）。未直接連接到頂層接地回路的射頻接地將需要多個通孔。（請記住，并聯(lián)添加電感器時會降低電感。）可以通過單個過孔實現(xiàn)電源接地（例如，去耦電容），但去耦組件應(yīng)盡可能靠近具有直接連接的頂層走線的組件。

此時的另一個重要注意事項是，制作基于FR4的0.25波天線元件（在GPS頻率下）僅需要大約0.9英寸的走線長度，因此任何長接地線都需要通過每個過孔來“短路” 0.2英寸左右，以防止它們在GPS頻率下諧振。你還應(yīng)該嘗試將所有組件首尾相連，并盡可能避免走線。

關(guān)鍵零件

LNA是GPS接收器的第一級，需要低噪聲電源才能正常工作。保證低噪聲的最簡單方法是為RF提供自己的低壓降穩(wěn)壓器（LDO）。

最常見的LDO的噪聲抑制在50至70 dB附近，價格通常在30美分以下，因此非常值得。如果參考設(shè)計中還沒有噪聲，則還需要在LNA和RF電源之間添加一些噪聲隔離（電感和電容）。這樣可以保護LNA免受其余RF中VCO引起的（壓控振蕩器）噪聲的影響。

在大多數(shù)環(huán)境中，SAW濾波器也是必需的。遵循參考設(shè)計中的匹配組件準則，或者從SAW篩選器提供商那里獲取匹配詳細信息。嘗試通過SAW濾波器的主體保持接地連接（即，不要在SAW下方斷開地面）。

TCXO是快速定位時間（TTFF）的要求，并且初始公差至少應(yīng)為2.5 ppm。對于GPS操作，這些振蕩器需要在1 Hz時域內(nèi)超穩(wěn)定-每秒1 ppb！

由于其短期穩(wěn)定性會受到快速熱變化的影響，因此應(yīng)保護TCXO免受快速變化的熱瞬態(tài)的影響。（在這里可以使用屏蔽罩；請參閱下文。）要滿足這些要求，你需要與合格的GPS TCXO提供商合作。通用TCXO在這里不起作用。市場上有各種供應(yīng)商，包括Rakon，Kyocera和ECS。

如上所述，屏蔽可能是使TCXO與瞬態(tài)熱條件隔離所必需的。發(fā)熱組件（例如穩(wěn)壓器和功率晶體管）應(yīng)放置在屏蔽罩的外部。諸如開關(guān)調(diào)節(jié)器，高速振蕩器（GPS TCXO本身除外）和快速開關(guān)電路之類的產(chǎn)生噪聲的組件也應(yīng)放置在屏蔽罩之外，并且通常應(yīng)遠離RF部分。

在VHF和UHF RF屏蔽中，將屏蔽罩的所有點都連接到PCB的接地層是很常見的。這在GPS頻率上可能是一個錯誤，因為GPS信號的露天波長比UHF短得多。根據(jù)屏蔽罩的尺寸，如果有電流流過該屏蔽罩，則屏蔽罩將能夠在GPS頻率附近產(chǎn)生諧振，從而導(dǎo)致GPS RF受到干擾或失諧。

避免這種情況的簡單方法是創(chuàng)建一個與屏蔽罩連接的屏蔽“環(huán)”，然后在單個點通過一個電感器將該環(huán)連接至RF接地。電感器過濾掉任何由EMI引起的（電磁干擾）電流，而單點連接則防止電流流過屏蔽罩（以及由此產(chǎn)生的任何諧振）。

噪聲控制（系統(tǒng)中的其他位置）

如果你在電路板上的其他地方碰巧有嘈雜的組件，那么設(shè)計干凈的GPS部分是不夠的。你還需要查看其他組件正在使用的邊沿速率，時鐘和頻率。某些頻率僅適用于板載GPS接收器。

常見的干擾頻率包括4 MHz（通常是IF干擾源）和19.2 MHz。（倍數(shù)直接落在1575.42 MHz上。）如果主微型振蕩器在19.2 MHz的振蕩器上運行，請查看是否可以更改為24、25或26 MHz，這通常不會產(chǎn)生干擾。如果它是合適的頻率，也可以在GPS時鐘之外運行主麥克風。

最后，你需要尋找電阻帽傳輸線終端，該終端將一個低歐姆電阻（《100Ω）與一個帽串聯(lián)到地，以控制阻抗并減少瞬變（圖3a）。

圖3

這種方法的問題在于，開關(guān)能量通過電容器直接傾倒到接地層中。這些電流尖峰會在接地層上產(chǎn)生噪聲，并會產(chǎn)生干擾諧波。

更好的方法是計算所討論網(wǎng)絡(luò)上輸入的電容，然后串聯(lián)插入一個電阻器以設(shè)置邊沿速率（圖3b）。

要計算邊緣速率，可以使用RC充電曲線。但是為了簡化起見，我將給出一個10％/ 90％切換點的近似方程式：

R = 3t / C

例如，假設(shè)我們需要一個10％/ 90％的開關(guān)點，且時鐘線在10 MHz（周期為100 ns）下的上升/下降時間為10 ns，IC輸入負載電容為10 pF。替換值，我們有：

R = 3t / C

要么：R = 3x10 –8 / 1x10 –11 或：3kΩ

如果你習慣于標準的RC端接方法，則電阻可能看起來過高，但請嘗試一下。結(jié)果，你將獲得更安靜的板！因此，總而言之，請遵循并查看這些設(shè)計規(guī)則，你將在下一個項目中實現(xiàn)GPS設(shè)計方面有一個良好的開端。
編輯：hfy