無線SoC設(shè)計(jì)中RF布局的最佳實(shí)踐

無線連接與微控制器 （MCU） 的片上系統(tǒng) （SoC） 集成是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 中連接設(shè)備應(yīng)用的支持技術(shù)。最新的無線 SoC 設(shè)備加速了高性能網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，使緊湊、低功耗和具有成本效益的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠在更短的時(shí)間內(nèi)投放市場(chǎng)。無論是可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)之間的藍(lán)牙連接，還是使用 ZigBee 或 Thread 作為通信協(xié)議的智能家居應(yīng)用，底層技術(shù)都依賴于以高達(dá) 2.4 GHz 的頻率傳輸和接收射頻 （RF） 信號(hào)。最大化任何無線連接的性能意味著密切關(guān)注射頻電路設(shè)計(jì)，尤其是電路板布局。

無線設(shè)計(jì)可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗璧纳漕l信號(hào)通常與不需要的射頻信號(hào)非常接近，例如 MCU 時(shí)鐘或開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻信號(hào)。因此，由不良設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的通信范圍可能會(huì)受到損害，或者需要更高的發(fā)射功率水平來補(bǔ)償，這將導(dǎo)致便攜式設(shè)備的電池壽命縮短。更高功率的信號(hào)還會(huì)產(chǎn)生雜散信號(hào)，可能會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成干擾，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)管要求。

由于這些原因，了解有效無線通信的設(shè)計(jì)目標(biāo)、電路布局如何影響這些目標(biāo)以及最重要的是如何通過遵循一些簡(jiǎn)單的最佳實(shí)踐從設(shè)計(jì)中提取最大射頻性能是很有幫助的。我們將參考 Silicon Labs 的 EFR32 Wireless Gecko SoC 的特定電路板布局來探索這些。

影響射頻性能的因素

無線設(shè)備的射頻性能主要取決于印刷電路板 （PCB） 射頻部分的設(shè)計(jì)和布局。匹配網(wǎng)絡(luò)中 RF 組件的位置，就其方向和與其他組件的分離而言，會(huì)對(duì)不需要的信號(hào)的耦合產(chǎn)生重大影響。RF 走線的布線和尺寸與設(shè)計(jì)中使用的天線的選擇同樣重要。此外，接地金屬化、非射頻走線（尤其是電源線）的布線以及 PCB 本身的性質(zhì)（如板厚、介電常數(shù)和層數(shù)）等因素都在整體設(shè)計(jì)。安裝在板上的其他組件，包括 MCU 時(shí)鐘電路和電源轉(zhuǎn)換器，可能會(huì)在射頻頻譜中產(chǎn)生過多的雜散，從而導(dǎo)致靈敏度下降。因此，采用適當(dāng)?shù)臑V波將高頻信號(hào)與這些源隔離并防止它們到達(dá)射頻路徑非常重要。

為了更好地理解如何完成這種濾波，我們首先需要了解射頻電路的功能。IC內(nèi)的無線電包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器 （Tx） 的目標(biāo)是將盡可能多的有用信號(hào)驅(qū)動(dòng)到天線中。在 RF IC 和負(fù)載之間使用阻抗變換旨在最大限度地提高基頻的輻射功率，并最大限度地減少諧波和其他雜散頻率的任何耗散損耗。這是通過由串聯(lián)電感器和并聯(lián)電容器組成的組合匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于在 2.4 GHz 下以高于 13 dBm 的 Tx 功率水平運(yùn)行，建議使用如圖 1 所示的 4 元素梯形圖。當(dāng)以較低功率運(yùn)行時(shí)，2 元件 LC 網(wǎng)絡(luò)可能就足夠了。在接收模式下，

【圖1 | 用于 2.4 GHz 的四元發(fā)射機(jī)匹配網(wǎng)絡(luò)］

布置 RF 部分時(shí)的注意事項(xiàng)

雖然無線 SoC 供應(yīng)商提供的參考設(shè)計(jì)旨在提供最佳的射頻性能，但由于尺寸或形狀因素的限制，并不總是可以將這種設(shè)計(jì)照原樣復(fù)制到終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。顯然，與參考設(shè)計(jì)的任何偏差都會(huì)影響性能。在涉及的高頻下，由于電路板走線長(zhǎng)度不同，元件之間距離的變化會(huì)引入寄生電感。不同的基板厚度或介電常數(shù)，或跡線之間的間隙，可能會(huì)引入寄生電容。改變組件相對(duì)于彼此的間距或方向會(huì)影響信號(hào)耦合，而改變推薦的組件類型或尺寸也會(huì)引入不同的組件寄生效應(yīng)。

糟糕的設(shè)計(jì)選擇會(huì)導(dǎo)致匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)失諧，也可能導(dǎo)致晶體負(fù)載失諧。這樣做的可能后果是 Tx 輸出功率降低、Rx 靈敏度降低、雜散發(fā)射水平增加、電流消耗增加以及不同板之間可能出現(xiàn)頻率偏移，所有這些都可以在傳導(dǎo)和傳導(dǎo)和輻射信號(hào)測(cè)量。

此外，問題不一定局限于電路板的射頻部分。從射頻輻射的角度來看，必須考慮整個(gè) PCB 設(shè)計(jì)，因?yàn)榻拥貙蛹捌涑叽绲纫蛩貢?huì)影響發(fā)射信號(hào)的功率，尤其是在使用單極型天線時(shí)。接地層的屏蔽效應(yīng)也會(huì)影響輻射雜散的水平，非射頻走線也會(huì)如此，因此必須注意確保這些都很好地保持在 EMC 限制范圍內(nèi)。還應(yīng)該理解，即使是按原樣使用的參考設(shè)計(jì)也不是完整的應(yīng)用程序，對(duì)于參考設(shè)計(jì)區(qū)域之外的板上的其他電路，也應(yīng)該采取類似的謹(jǐn)慎措施。

遵循 RF 部分的最佳布局實(shí)踐

當(dāng)無法完全按原樣實(shí)施參考設(shè)計(jì)時(shí)，遵循一些指導(dǎo)原則是值得的。圖 2 顯示了 2.4 GHz 無線電板布局的示例指南。

從匹配網(wǎng)絡(luò)開始，第一個(gè)組件應(yīng)盡可能靠近 RF IC 的 Tx 輸出引腳放置，以減少因擴(kuò)展信號(hào)走線的寄生電感而產(chǎn)生的失諧效應(yīng)。其余匹配網(wǎng)絡(luò)組件應(yīng)彼此靠近放置，以最大限度地減少任何 PCB 對(duì)地寄生電容或組件之間的進(jìn)一步走線寄生電感。理想情況下，用于連接這些組件的走線寬度應(yīng)與焊盤寬度相同，對(duì)于 0402 尺寸的 SMD 組件，該寬度通常為 0.5 mm。

【圖2 | 顯示關(guān)鍵電路區(qū)域的 2.4 GHz EFR32 無線電板布局］

在所有電源引腳上正確放置去耦電容至關(guān)重要。最低值的旁路電容器會(huì)濾除基本 Tx/Rx 頻率附近的信號(hào)，并且需要放置在最靠近 IC 引腳的位置，并使用多個(gè)通孔連接到接地層，并具有良好的接地。值約為 100 nF 的旁路電容器將抑制數(shù)十兆赫茲范圍內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)，否則這些時(shí)鐘信號(hào)可能會(huì)在芯片內(nèi)上變頻，從而在載波頻率周圍產(chǎn)生不需要的雜散。最大值電容器旨在濾除來自開關(guān)電源的干擾，該干擾通常約為數(shù)百千赫。這些可以放置在離電源引腳更遠(yuǎn)的地方，顯然在電池供電設(shè)備的情況下不需要。

晶體應(yīng)盡可能靠近 RF IC 放置，以確保最小化過孔寄生電容并減少任何頻率偏移。晶體的外殼應(yīng)使用多個(gè)過孔連接到地，以避免來自未接地部件的輻射，因?yàn)槿魏挝催B接和浮動(dòng)的金屬都可能充當(dāng)不需要的輻射器。在晶振和 VDD 走線之間使用隔離接地金屬將避免由電源對(duì)晶振造成的任何失諧效應(yīng)，并且同樣可以避免晶振或時(shí)鐘信號(hào)及其諧波泄漏到電源線。

良好的接地連接至關(guān)重要，并且有許多與這種做法相關(guān)的建議。電容器接地引腳附近的走線應(yīng)加厚，以提高散熱帶的接地效果（用于冷卻）并最大限度地減少接地之間的串聯(lián)寄生電感（電路板的未使用區(qū)域填充有接地的銅）和接地引腳。靠近電容器接地引腳并連接到底層或內(nèi)層接地層的額外過孔將進(jìn)一步有助于減少這些影響。

RF IC 焊盤的裸露焊盤占位面積應(yīng)使用多個(gè)過孔，以確保良好的接地以及良好的散熱能力。在圖 2 所示的布局中，7 mm x 7 mm 尺寸的 IC 封裝有 25 個(gè)通孔，每個(gè)通孔直徑為 0.25 mm。如果可能，焊盤接地應(yīng)連接到頂層接地金屬，以進(jìn)一步改善射頻接地。這可以通過通過 IC 封裝角落的對(duì)角跡線連接來實(shí)現(xiàn)。信號(hào)，尤其是高頻諧波，有時(shí)會(huì)耦合在附近濾波電容器的接地連接之間。通過將這些電容器連接到傳輸線兩側(cè)的地，可以避免問題。

在匹配網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，建議確保走線或焊盤與相鄰接地澆注之間的距離至少為 0.5 mm。這將最大限度地減少任何寄生電容并減少失諧效應(yīng)。對(duì)于 4 層 PCB，頂層下方的第一個(gè)內(nèi)層應(yīng)在 RF IC 和匹配網(wǎng)絡(luò)下方填充連續(xù)的接地金屬。這種技術(shù)將確保到 RF IC 接地的良好低阻抗信號(hào)路徑，并且通過不在該區(qū)域放置任何布線，將防止與匹配網(wǎng)絡(luò)的任何耦合效應(yīng)。還建議不要以任何方式阻塞 Tx/Rx 匹配網(wǎng)絡(luò)的接地過孔和 RF IC 焊盤的接地過孔之間的接地返回路徑。返回電流應(yīng)該有一條清晰、暢通無阻的路徑，通過接地層返回 RF IC。

最后，關(guān)于射頻部分，應(yīng)使用 50 歐姆接地共面?zhèn)鬏斁€連接到遠(yuǎn)處的射頻組件，例如板載天線或天線連接器。這將降低對(duì) PCB 引起的任何信號(hào)變化的敏感度，還將減少不需要的輻射和耦合效應(yīng)。耦合器線附近的多個(gè)接地通孔可以進(jìn)一步減少輻射。傳輸線的使用如圖 3 所示。

整個(gè) PCB 的最佳實(shí)踐布局設(shè)計(jì)

雖然作為最低要求，最好在 PCB 的 RF 部分區(qū)域周圍有一個(gè)大的連續(xù)接地金屬化，但通過將這種技術(shù)應(yīng)用于整個(gè) PCB 可以獲得更好的性能。為了實(shí)現(xiàn)良好的射頻接地，整個(gè)接地區(qū)域的射頻電壓電位應(yīng)相等。這有助于保持適當(dāng)?shù)?VDD 濾波，并為單極型天線提供良好的接地層。間隙應(yīng)該用接地金屬填充，頂層和底層的結(jié)果部分應(yīng)該用盡可能多的過孔連接。

為了減少邊緣場(chǎng)引起的諧波輻射，應(yīng)在任何接地金屬區(qū)域的邊緣部署多個(gè)接地通孔，尤其是在 PCB 邊緣和電源走線周圍，如圖 3 所示。在具有兩個(gè)以上的電路板設(shè)計(jì)中層，所有的導(dǎo)線或走線都應(yīng)放置在內(nèi)層之一中，尤其是電源走線，并且整個(gè)頂層和底層應(yīng)包含盡可能多的連續(xù)接地金屬化，以減少來自這些走線的任何輻射。還建議避免將電源走線放置在靠近 PCB 邊緣的位置。

【圖3 | 顯示傳輸線和 PCB 邊緣接地過孔的整個(gè)電路板布局］

結(jié)論

我們都欣賞無線連接的好處，無論是在我們的消費(fèi)技術(shù)小工具與我們的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦之間，還是在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)的更廣泛領(lǐng)域中。這一承諾的實(shí)現(xiàn)取決于將各種“東西”連接在一起并連接到互聯(lián)網(wǎng)，其中許多需要在合理距離內(nèi)進(jìn)行無線通信，同時(shí)在電池必須更換或充電之前長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的承諾還需要可靠、經(jīng)濟(jì)高效的連接解決方案，該解決方案基于可輕松集成到最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的無線 SoC。然而，RF 設(shè)計(jì)從來都不是一件容易的事，從 RF 電路布局中獲得最佳性能可能具有挑戰(zhàn)性。使用無線 SoC 供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)可能是一個(gè)不錯(cuò)的方法，但有時(shí)這是不可能的。遵循良好的 RF 設(shè)計(jì)實(shí)踐始終很重要，以確保滿足通信范圍和功耗的目標(biāo)，而不會(huì)產(chǎn)生不必要的干擾問題和不符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)要求。

審核編輯：郭婷