原创 RF电路设计中的常见问题及解决方案

1数字电路与模拟电路的潜在矛盾
如
果模拟电路（射频）和数字电路（微控制器）单独工作可能各自工作良好,但是一旦将两者放在同一块电路板上,使用同一个电源供电一起工作,整个系统很可能就
会不稳定。这主要是因为数字信号频繁的在地和正电源（大小3
V）之间摆动,而且周期特别短,常常是ns级的。由于较大的振幅和较小的切换时间,使得这些数字信号包含大量的且独立于切换频率的高频成分。而在模拟部
分,从天线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于1 μV。因此数字信号与射频信号之间的差别将达到10-6（120
dB）。显然,如果数字信号与射频信号不能很好的分离,微弱的射频信号可能遭到破坏,这样一来,无线设备工作性能就会恶化,甚至完全不能工作。
2RF电路和数字电路做在同块PCB上的
常
见问题不能充分的隔离敏感线路和噪声信号线是常常出现的问题。如上所述,数字信号具有高的摆幅并包含大量高频谐波。如果PCB板上的数字信号布线邻近敏感
的模拟信号,高频谐波可能会耦合过去。RF器件的最敏感节点通常为锁相环(PLL)的环路滤波电路,外接的压控振荡器(VCO)电感,晶振基准信号和天线
端子,电路的这些部分应该特别仔细处理。
(1） 供电电源噪声
由于输入／输出信号有几V的摆幅,数字电路对于电源噪声(小于50
mV)一般可以接受。而模拟电路对于电源噪声却相当敏感,尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。因此,在包含RF(或其他模拟）电路的PCB板上的电源线布线
必须比在普通数字电路板上布线更加仔细,应避免采用自动布线。同时也应注意到,微控制器（或其他数字电路）会在每个内部时钟周期内短时间突然吸入大部分电
流,这是由于现代微控制器都采用CMOS工艺设计。因此,假设一个微控制器以1
MHz的内部时钟频率运行,它将以此频率从电源提取（脉冲）电流,如果不采取合适的电源去耦,必将引起电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺到达电路RF
部分的电源引脚,严重的可能导致工作失效,因此必须保证将模拟电源线与数字电路区域隔开。
（2） 不合理的地线
RF电路板应该总是布有与
电源负极相连的地线层,如果处理不当,可能产生一些奇怪的现象。对于一个数字电路设计者来说这也许难于理解,因为即使没有地线层,大多数数字电路功能也表
现良好。而在RF频段,即使一根很短的线也会如电感一样作用。粗略计算,每mm长度的电感量约为1 nH, 434 MHz时10
mmPCB线路的感抗约为27 Ω。如果不采用地线层,大多数地线将会较长,电路将无法保证设计特性。
（3） 天线对其他模拟部分的辐射
在
包含射频和其他部分的电路中,这一点经常被忽略。除了RF部分,板上通常还有其他模拟电路。例如,许多微控制器内置模数转换器(ADC)用于测量模拟输入
以及电池电压或其他参数。如果射频发送器的天线位于此PCB附近（或就在此PCB上）,发出的高频信号可能会到达ADC的模拟输入端。不要忘记任何电路线
路都可能如天线一样发出或接收RF信号。如果ADC输入端处理不合理,RF信号可能在ADC输入的ESD二极管内自激,从而引起ADC的偏差。
3RF电路和数字电路做在同块PCB上的
解决方案以下给出在大多数RF应用中的一些通用设计和布线策略。然而,遵循实际应用中RF器件的布线建议更为重要。
（1） 一个可靠的地线层面
当
设计有RF元件的PCB时,应该总是采用一个可靠的地线层。其目的是在电路中建立一个有效的0 V电位点,使所有的器件容易去耦。供电电源的0
V端子应直接连接在此地线层。由于地线层的低阻抗,已被去耦的两个节点间将不会产生信号耦合。对于板上多个信号幅值可能相差120
dB,这一点非常重要。在表面贴装的PCB上,所有信号布线在元件安装面的同一面,地线层则在其反面。理想的地线层应覆盖整个PCB(除了天线PCB下
方)。如果采用两层以上的PCB,地线层应放置在邻近信号层的层上（如元件面的下一层）。另一个好方法是将信号布线层的空余部分也用地线平面填充,这些地
线平面必须通过多个过孔与主地线层面连接。需要注意的是：由于接地点的存在会引起旁边的电感特性改变,因此选择电感值和布置电感是必须仔细考虑的。
（2） 缩短与地线层的连接距离
所有对地线层的连接必须尽量短,接地过孔应放置在（或非常接近）元件的焊盘处。决不要让两个地信号共用一个接地过孔,这可能导致由于过孔连接阻抗在两个焊盘之间产生串扰。
（3） RF去耦
去
耦电容应该放置在尽可能靠近引脚的位置,每个需要去耦的引脚处都应采用电容去耦。采用高品质的陶瓷电容,介电类型最好是"NP0",
"X7R"在大多数应用中也能较好工作。理想的选择电容值应使其串联谐振等于信号频率。例如434 MHz时,SMD贴装的100
pF电容将良好工作,此频率时,电容的容抗约为4
Ω,过孔的感抗也在同样范围。串联的电容和过孔对于信号频率形成一个陷波滤波器,使之能有效的去耦。868 MHz时,33
pF电容是一个理想的选择。除了RF去耦的小值电容,一个大值电容也应放置在电源线路上去耦低频,可选择一个2.2 μF陶瓷或10 μF的钽电容。
(4） 电源的星形布线
星
形布线是模拟电路设计中众所周知的技巧（如图1所示）。星形布线——电路板上各模块具有各自的来自公共供电电源点的电源线路。在这种情况下,星形布线意味
着电路的数字部分和RF部分应有各自的电源线路,这些电源线应在靠近IC处分别去耦。这是一个隔开来自数字部分和来自RF部分电源噪声的有效方法。如果将
有严重噪声的模块置于同一电路板上,可以将电感（磁珠）或小阻值电阻（10 Ω）串联在电源线和模块之间,并且必须采用至少10
μF的钽电容作这些模块的电源去耦。这样的模块如RS232驱动器或开关电源稳压器。
图1电源的星形布线(5） 合理安排PCB布局
为减小来自噪声模块及周边模拟部分的干扰,各电路模块在板上的布局是重要的。应总是将敏感的模块（RF部分和天线）远离噪声模块（微控制器和RS232驱动器）以避免干扰。
（6） 屏蔽RF信号对其他模拟部分的影响
如上所述,RF信号在发送时会对其他敏感模拟电路模块如ADC造成干扰。大多数问题发生在较低的工作频段（如27 MHz)以及高的功率输出水平。用RF去耦电容(100pF)连接到地来去耦敏感点是一个好的设计习惯。
（7） 在板环形天线的特别考虑
天
线可以整体做在PCB上。对比传统的鞭状天线,不仅节省空间和生产成本,机构上也更稳固可靠。惯例中,环形天线(loop
antenna)设计应用于相对较窄的带宽,这有助于抑制不需要的强信号以免干扰接收器。应注意到环形天线（正如所有其他天线）可能收到由附近噪声信号线
路容性耦合的噪声。它会干扰接收器,也可能影响发送器的调制。因此在天线附近一定不要布数字信号线路,并建议在天线周围保持自由空间。接近天线的任何物体
都将构成调谐网络的一部分,而导致天线调谐偏离预想的频点,使收发辐射范围（距离）减小。对于所有的各类天线必须注意这一事实,电路板的外壳（外围包装）
也可能影响天线调谐。同时应注意去除天线面积处的地线层面,否则天线不能有效工作。
（8） 电路板的连接
如果用电缆将RF电路板连接到外
部数字电路,应使用双绞线缆。每一根信号线必须和GND线双绞在一起(DIN/GND,DOUT/GND,CS/GND,PWR_UP/GND)。切记将
RF电路板和数字应用电路板用双绞线缆的GND线连接起来,线缆长度应尽量短。给 RF电路板供电的线路也必须与GND双绞(VDD/GND)。
4结论
迅
速发展的射频集成电路为从事无线数字音频、视频数据传输系统,无线遥控、遥测系统,无线数据采集系统,无线网络以及无线安全防范系统等设计的工程技术人员
解决无线应用的瓶颈提供了最大的可能。同时,射频电路的设计又要求设计者具有一定的实践经验和工程设计能力。本文是笔者在实际开发中总结的经验,希望可以
帮助众多射频集成电路开发者缩短开发周期,避免走不必要的弯路,节省人力和财力。