RF产品设计过程中降低信号耦合的PCB布线技巧

wswnihao

RF产品设计过程中降低信号耦合的PCB布线技巧


新一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注RF电路设计技巧。RF电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分，如想一次获得成功，仔细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。

射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，因此常被形容为一种“黑色艺术”，但这个观点只有部分正确，RF电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的法则。不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准确地实施时如何对它们进行折衷处理。

当然，有许多重要的RF设计课题值得讨论，包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板以及波长和驻波，不过，本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题。

今天的蜂窝电话设计以各种方式将所有的东西集成在一起，这对RF电路板设计来说很不利。现在业界竞争非常激烈，人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。模拟、数字和RF电路都紧密地挤在一起，用来隔开各自问题区域的空间非常小，而且考虑到成本因素，电路板层数往往又减到最小。令人感到不可思议的是，多用途芯片可将多种功能集成在一个非常小的裸片上，而且连接外界的引脚之间排列得又非常紧密，因此RF、IF、模拟和数字信号非常靠近，但它们通常在电气上是不相干的。电源分配可能对设计者来说是一个噩梦，为了延长电池寿命，电路的不同部分是根据需要而分时工作的，并由软件来控制转换。这意味着你可能需要为你的蜂窝电话提供5到6种工作电源。


RF布局概念

在设计RF布局时，有几个总的原则必须优先加以满足：

尽可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来，简单地说，就是让高功率RF发射电路远离低功率RF接收电路。如果你的PCB板上有很多物理空间，那么你可以很容易地做到这一点，但通常元器件很多，PCB空间较小，因而这通常是不可能的。你可以把他们放在PCB板的两面，或者让它们交替工作，而不是同时工作。高功率电路有时还可包括RF缓冲器和压控制振荡器(VCO)。

确保PCB板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜皮越多越好。稍后，我们将讨论如何根据需要打破这个设计原则，以及如何避免由此而可能引起的问题。

芯片和电源去耦同样也极为重要，稍后将讨论实现这个原则的几种方法。

RF输出通常需要远离RF输入，稍后我们将进行详细讨论。

敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和RF信号。 查看详细：http://www.hampoo.com/know-how/detail/24

criterion

在Layout时，要尽量避免寄生电容效应。
在阻抗不变情况下，若拉大讯号线与GND之间的间距，可使线宽加宽，
不仅可使Insertion Loss变小，同时亦可降低寄生电容对于阻抗控制的影响，
尤其对于DCS1800/PCS 1900这些频段较高的RF走线，其影响更为明显，
因此常看到在一些设计中，
会将这些频段较高的RF走线，其邻层的GND作挖空处理，特别是接收讯号走线。




而功率电感的下方金属挖空，也是为了避免寄生电容效应，使电感性的频率范围缩减。



有些收发器，会建议收发器所在表层，某些区块需净空，不能铺铜，例如高通的WTR1605L，



因为这些区块，正好是VCO的相关电路，
若有表层铺铜，会因寄生效应，导致调变精确度下降，而导致调制频谱劣化。
至于XO，不但表层周遭要净空，下层更是一定要挖空



因为寄生电容会影响XO的负载电容，进而影响震荡频率，
容易有Frequency error，因此要特别注意，有些XO甚至下两层都要挖。

而PA与ASM，因为讯号Pad通常较大，故其讯号Pad下方也需挖空，避免寄生电容效应。





而走线之间，更是会因彼此间的寄生电容，将能量耦合过去，
亦即所谓的Crosstalk，导致互相受到干扰，



而Crosstalk的大小，取决于寄生电容的大小，
由前述的电容公式与容抗公式可知，若寄生电容越大，则走线间的容抗越小，导致耦合过去的能量越大，



而若拉大走线间的间距，则可使寄生电容变小，进而降低Crosstalk。
原则上，若采用3W Rule，可降低70%的Crosstalk，




然而手机空间有限，且走线众多，实际上很难遵循3W Rule。
即便如此，一些关键走线间，仍需保持一定的间距，才能使干扰降到最低。
例如RF走线与电源线之间，要保持一定的间距，否则RF走线会被电源线强大的电流所干扰。
除此之外，RF走线也会干扰电源线，因为虽然在频域上，RF讯号与电源相差甚远，



但以时域的波形而言，其RF讯号会载在电源输出的波形上，
导致其波形上会有高频噪声，因此RF走线与电源线之间要互相远离。









而同样道理也适用于RF走线与XO走线之间，以往认知是XO的谐波，会干扰RF讯号，导致有Desense问题产生，



或座落在RF讯号邻近信道，导致调制/切换频谱劣化



但以时域的波形而言，其RF讯号会载在XO输出的波形上，导致其波形上会有高频噪声，使调变精确度下降，
进而产生Frequency error、Phase error、EVM……等问题产生，因此RF走线与XO走线之间也要互相远离。




另外，其GSM PA之Low band与High band输出走线，也要互相远离，
避免EGSM 900的二次谐波，干扰DCS 1800的讯号。
而因为PA输出讯号，其能量远比PA输入讯号来的强大，
因此PA的输入与输出走线，也要互相远离，
避免输入讯号被输出讯号干扰



而SAW Filter的输入与输出走线，也要互相远离，
避免输入讯号直接透过寄生电容，耦合到输出走线，导致Out-of-band噪声的抑制效果大幅下降


其他详细原理  可参照



在此就不再赘述

liyumingyh

很好的东西

chjhu1986

顶，好贴。

heng_see

好帖 学习下

china200844

[em06]

zhangjunxuan21

好东西顶起来

tangxu19900915

分析的很透彻！

hnhy0394

好东西顶起来

373003728

criterion 发表于 2013-8-27 13:18
在Layout时，要尽量避免寄生电容效应。
在阻抗不变情况下，若拉大讯号线与GND之间的间距，可使线宽加宽，
...

线就是黄色那部分，为什么说拉大和地的间距，线就变宽了