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射频(RF)电路板设计 虽然在理论上还有很多不确定性，但RF电路板设计还是有许多可以遵循的法则。不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些法则因各种限制而无法实施时，如何对它们进行折衷处理，本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题。 1、微过孔的种类 电路板上不同性质的电路必须分隔，但是又要在不产生电磁干扰的最佳情况下连接，这就需要用到微过孔(microvia)。通常微过孔直径为0.05mm~0.20mm，这些过孔一般分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔(through via)。 盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。 埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型制程完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。 第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为组件的黏着定位孔。 2、采用分区技巧 在设计RF电路板时，应尽可能把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来，简单的说，就是让高功率RF发 射电路远离低噪音接收电路。如果PCB板上有很多空间，那么可以很容易地做到这一点。但通常零组件很多时，PCB制造空间就会变的很小，因此这是很难达到的。可以把它们放在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(buffer)和压控振荡器(VCO)。 设计分区可以分成实体分区(physical partitioning)和电气分区(Electrical partitioning)。实体分区主要涉及零组件布局、方位和屏蔽等问题;电气分区可以继续分成电源分配、RF走线、敏感电路和信号、接地等分区。 3、实体分区 零组件布局是实现一个优异RF设计的关键，最有效的技术是首先固定位于RF路径上的零组件，并调整其方位，使RF路径的长度减到最小。并使RF输入远离RF输出，并尽可能远离高功率电路和低噪音电路。 最有效的电路板堆栈方法是将主接地安排在表层下的第二层，并尽可能将RF线走在表层上。将RF路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感，而且还可以减少主接地上的虚焊点，并可减少RF能量泄漏到层叠板内其它区域的机会。 在实体空间上，像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个RF区之间相互隔离开来，但是双工器、混频器和中频放大器总是有多个RF/IF信号相互干扰，因此必须小心地将这一影响减到最小。RF与IF走线应尽可能走十字交叉，并尽可能在它们之间隔一块接地面积。正确的RF路径对整块PCB板的性能而言非常重要，这也就是为什么零组件布局通常在移动电话PCB板设计中占大部份时间的原因。 在移动电话PCB板上，通常可以将低噪音放大器电路放在PCB打样板的某一面，而高功率放大器放在另一面，并最终藉由双工器在同一面上将它们连接到RF天线的一端和基频处理器的另一端。这需要一些技巧来确保RF能量不会藉由过孔，从板的一面传递到另一面，常用的技术是在两面都使用盲孔。可以藉由将盲孔安排在PCB板两面都不受RF干扰的区域，来将过孔的不利影响减到最小。 4、金属屏蔽罩 有时，不太可能在多个电路区块之间保留足够的区隔，在这种情况下就必须考虑采用金属屏蔽罩将射频能量屏蔽在RF区域内，但金属屏蔽罩也有副作用，例如：制造成本和装配成本都很高。 外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精密度，长方形或正方形金属屏蔽罩又使零组件布局受到一些限制;金属屏蔽罩不利于零组件更换和故障移位;由于金属屏蔽罩必须焊在接地面上，而且必须与零组件保持一个适当的距离，因此需要占用宝贵的PCB板空间。 尽可能保证金属屏蔽罩的完整非常重要，所以进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层，而且最好将信号线路层的下一层设为接地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和接地缺口处的布线层走线出去，不过缺口处周围要尽可能被广大的接地面积包围，不同信号层上的接地可藉由多个过孔连在起。 尽管有以上的缺点，但是金属屏蔽罩仍然非常有效，而且常常是隔离关键电路的唯一解决方案。 5、电源去耦电路 恰当而有效的芯片电源去耦(decouple)电路也非常重要。许多整合了线性线路的RF芯片对电源的噪音非常敏感，通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来滤除全部的电源噪音。 最小电容值通常取决于电容本身的谐振频率和接脚电感，C4的值就是据此选择的。C3和C2的值由于其自身接脚电感的关系而相对比较大，从而RF去耦效果要差一些，不过它们较适合于滤除较低频率的噪音信号。RF去耦则是由电感L1完成的，它使RF信号无法从电源线耦合到芯片中。因为所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发 射RF信号的天线，所以，将射频信号与关键线路、零组件隔离是必须的。 这些去耦组件的实体位置通常也很关键。这几个重要组件的 布局原则 是：C4要尽可能靠近IC接脚并接地，C3必须最靠近C4，C2必须最靠近C3，而且IC接脚与C4的连接走线要尽可能短，这几个组件的接地端(尤其是C4)通常应当藉由板面下第一个接地层与芯片的接地脚相连。将组件与接地层相连的过孔应该尽可能靠近PCB板上的组件焊盘，最好是使用打在焊盘上的盲孔将连接线电感减到最小，电感L1应该靠近C1。 一个集成电路或放大器常常具有一个集电极开路输出(open collector)，因此需要一个上拉电感(pullup inductor)来提供一个高阻抗RF负载和一个低阻抗直流电源，同样的原则也适用于对这一电感的电源端进行去耦。 有些芯片需要多个电源才能工作，因此可能需要两到三套电容和电感来分别对它们进行去耦处理，如果该芯片周围没有足够的空间，那么去耦效果可能不佳。 尤其需要特别注意的是：电感极少平行靠在一起，因为这将形成一个空芯变压器，并相互感应产生干扰信号，因此它们之间的距离至少要相当于其中之一的高度，或者成直角排列以使其互感减到最小。 搜索 “华秋PCB” 了解更多 PCB 电路相关资料资讯。

在进行EMC抗扰度测试时，必须在所有适用的测试频率下检查所用射频功率放大器的线性度。检查方法如下： 确定产生测试电平所需的功率，包括调制。例如: 测试电平:10v /m 调制:80% AM, 1 kHz 所需场强包括调制:18 V/m 辐射抗干扰校准配置示例 在特定频率下所需的功率由n点均匀性校准期间测量的校准文件决定(在上面的例子中，均匀面产生18 V/m的功率)。然后对所有频率点进行如下检查: 设置信号发生器电平，使放大器提供所需的输出功率。 将信号发生器电平降低5.1 dB。 放大器的输出功率至少降低3.1 dB。如果功率下降小于3.1 dB，说明放大器压缩过远，不满足压缩要求。 放大器线性度测试结果示例 通过上述测试，将检查每个频率点的放大器是否表现出小于 2 dB 的压缩，从所需测试电平（包括调制）所需的（最大）功率测量，幅度范围为 5.1 dB 。作为对照组，1 dB 压缩点测试需要测量放大器的增益降低 1 dB 的点，即以放大器的“小信号增益”为起点（全功率下典型值为 20 dB），测量在哪个输出功率下增益降低了 1 dB。这种测量是在更大的幅度范围内进行的，从而更早地实现了压缩。 1 dB 方法主要用于电信市场，其中大振幅范围内的线性度很重要。这与 EMC 测试相反，EMC 测试中唯一相关的一点是放大器在应用放大器的功率点周围的表现，目的是确保 AM 调制不会失真太多。因此，1db压缩点对EMC测量的要求过于严格。 根据所使用的放大器技术，放大器将表现出“软”或“硬”压缩行为。在第一种情况下，放大器将提供很多额外的“可用”功率高于1db压缩点，而放大器的“硬”压缩行为通常锁定仅高于1db压缩点。特别是具有 GaN 晶体管的放大器会表现出软压缩行为。与基于硅和砷化镓的放大器相比，这种相对较新的晶体管技术的优点是寿命更长、效率更高。

GNSS信号本身的脆弱性和卫星信号传输中面临的风险一直被人们所关注着，例如干扰和欺骗，而GNSS接收设备也普遍缺乏对各种干扰的抵抗性与稳定性。根据GPS的创始架构师Brad Parkinson的说法，任何GNSS星座正变得越来越容易受到蓄意信号干扰或高级欺骗等威胁的影响。 为什么GNSS信号容易受到攻击？首先，来自太空的GNSS信号一开始就非常微弱，假设GNSS信号以52dBm（即158W）传输，而卫星的运行高度约为20200公里，它们必须经过如此远的距离才能到达地球，信号穿过大气层后，接收天线得到的功率为-130dBm。在地球表面，这些微弱信号非常容易受到干扰和欺骗。 图1. 从卫星到地面的GNSS信号衰减 干扰信号往往会无意中从各种来源产生，包括相邻的射频波段，大功率的信号会“溢出”邻频干扰信号。设计不当的其他设备和来自本身设备内部组件的“子系统”也会产生干扰，从而产生各种负面影响，例如使设备故障、不稳定、停机或定位和定时错误。而随着使用RF的设备数量不断增长，发生干扰的风险也越来越大。 其次是有意的干扰，例如有些员工使用的那些试图破坏雇主安装的跟踪设备的设备。它们的工作范围通常大于它们的设计区域，因此会干扰周围的其他射频设备，在2013 年曾有一个著名事件，一名建筑工人想让公司要求在车中安装的位置跟踪设备失效，却在纽瓦克机场成功关闭了飞机卫星跟踪系统。 干扰也可以来自专门用作电子武器的成熟的信息战系统，以干扰和欺骗对方的导航和通信能力。然而，它不需要花费数百万美元就能产生军事级效果，即便是使用带有廉价SDR的GNU Radio并拥有一些基本RF知识的业余爱好者也可以造成重大损害和破坏。 现在，GNSS已经成为了关键基础设备与关键行业的重要组成部分。电网中使用的很大一部分设备依赖于GNSS定时来进行同步，因此受到干扰的话将会带来巨大的影响。实际中，有数量超出想象的现代技术基础设施依赖于这些公共信号，此类基础设施使用的电子元件质量差异很大，且通常会将多个设备集成到一个更大的系统中，然后在未经RF漏洞测试的情况下部署到现场，也因此通常会面临着巨大的风险。而随着技术的不断进步，新应用不断出现，例如V2X（用于自主交通）将严重依赖无线电频率来确保安全和可预测的公共服务，此时，干扰与欺骗将会对人身安全和财产安全造成极大的危害。 众所周知，现场测试（例如使用实时天空）是不完整的。首先，它是不可重复的，这使得数据分析变得非常困难。其次，从长远来看，这是非常耗费时间、人力与经济成本的，尤其是在需要处理多种情况时。 相对应的，唯一可行的、提供更强大和可预测的方法是实验室测试。然而，目前实验室内测试的主要障碍是缺乏简单、灵活且成本低廉的干扰测试解决方案。目前通常采用的GNSS干扰测试台是在一个机箱里构建了一个复杂的专门构建的模拟器、连接器和信号发生器的组合，旨在提供多种干扰。 图2. 常规干扰测试台设置 这是一种由很多昂贵硬件组合与集成的方案，而随着复杂干扰测试需求的增加，硬件需求也在增长。作为一种解决方案，它缺乏直观性和易用性。 软件定义GNSS模拟器提供有效的干扰模拟解决方案。Skydel采用功能强大、全新且灵活的干扰模块，该模块将与GNSS仿真方案的其他组件完全集成。 为什么软件无线电（SDR）的架构可以不需要再添加额外的硬件？ SDR可用于生成GNSS信号和干扰，无需专门为干扰器添加专用硬件。 SDR仅用于传输RF。这是因为干扰调制是通过计算机GPU的计算进行的（类似GNSS信号），这使得它可以同时模拟大量的干扰设备。 诸如NI USRP之类的软件定义无线电可以在多个频段、多个频率上生成干扰信号。 产生的干扰可以是静态的或动态的，并且是GNSS模拟的一部分，它们可以进行交互、在地图上查看、由UI和/或API控制等。 使用SDR和Skydel进行干扰测试的三种不同设置

​ 背景 GNSS以其提供亚米级精度定位的能力而闻名。然而鲜为人知的是，GNSS还提供了一种非常便捷的方法，可以通过GNSS接收器获得纳秒（甚至亚纳秒）的定时精度。事实上，除了三个空间维度之外，GNSS还使用户能够计算时钟偏差和接收器时钟相对于GNSS星座原子钟的漂移。要正确执行此操作，必须首先校准GNSS接收器和从天线到接收器的RF设置。 精确测量GNSS接收器的1-PPS信号的精度可能具有挑战性，尤其是在处理纳秒级的不确定性时。实时天空信号的可变性（大气条件、多路径等）和不可预测性都给制造商或用户使用这些信号校准设备带来了阻碍。射频电路和信号处理算法对每个信号的频率和调制也非常敏感，每个GNSS信号之间的延迟最多可以变化几纳秒，这解释了为什么需要为每个信号评估时间同步。 因此，正确测量GNSS接收器精度的最佳方法是使用经过良好校准的GNSS模拟器作为参考。GNSS模拟器允许用户控制每种类型的大气效应并再现确定性和重复性信号，还可以提供1-PPS信号，用作被测设备（DUT）的参考。 然而，在这种情况下，测量和验证 GNSS 模拟器的准确性依然是一个挑战。生成模拟信号的经典方法是使用实时硬件（例如FPGA）在中频（IF）中合成每个卫星信号（通常描述为通道）。这种方法的缺点是每个FPGA只能处理有限数量的通道，因此需要独立校准每个卫星群。这个校准过程不仅费力，还是导致最终测试错误的主要原因。软件定义GNSS模拟器的主要优势之一是它能够利用GPU的强大功能以数字方式生成基带中的每个卫星信号（以及多路径或干扰）。使用GNSS模拟器核心软件Skydel可以让同一频段上的所有卫星信号都使用相同的硬件组件从基带信号合成到射频信号。因此，Skydel模拟器只需针对两个GNSS频段校准一次，并且同一载波上每个卫星信号之间的延迟完全等于零。虹科Safran Skydel GNSS模拟器从一开始就被设计为与外部参考时钟同步，并且可以轻松地同步无限数量的Skydel实例（例如，同步多个天线或多个接收器）。本文说明概述了Skydel模拟器提供的典型时序配置，并解释了用户如何使用其特定的实验室设置（RF 电缆、LNA、功分器等）准确校准模拟器。 时序配置 GPSDO参考时钟 使用GNSS模拟器校准定时接收器的最简单方法是设置一个基本配置，该配置使用内部配备GPSDO时钟（Global Positioning System Disciplined Oscillator，通常译作驯服钟）的Ettus X300 SDR。在这种情况下，GPSDO用作10MHz和1 PPS参考时钟。 对于此配置，必须在X300输出设置中选择GPSDO作为参考时钟。 通过此配置，RF信号与X300无线电的1 PPS输出同步。 外部参考时钟—单个Skydel会话 如果用户想为GNSS模拟器使用外部参考时钟，也可以将SDR（或多个SDR）与外部10MHz和1 PPS参考同步。在这种情况下，将每个X300 SDR的1 PPS输入和参考输入连接到外部时钟的相应输出。对这些连接中的每一个使用完全相同的电缆是很重要的。 对于此配置，必须在X300设置中选择外部作为参考时钟，且对每个SDR都需要这样做。 在Global→Synchronize simulators设置中，必须将Skydel模拟器配置为 Master（主站）。 通过这种配置，RF信号与参考时钟的1 PPS输出完成了同步。请注意，在这种情况下，SDR的1 PPS输出被停用，因为它们不与任何信号同步。 外部参考时钟—多个Skydel会话 多个Skydel会话可以与每个会话中正在工作的一个或多SDR同步，原理与单个 Skydel会话相同—需要使用外部参考时钟来同步每个SDR。 对于此配置，必须在每个SDR的X300输出设置中选择外部作为参考时钟。在 Global→ Synchronize simulators设置中，必须将其中一个Skydel模拟器会话配置为Master（主站）。所有剩余的会话都必须配置为Slave（从站）。 与单个 Skydel实例的配置类似，RF信号与参考时钟的1 PPS输出同步。 校准程序 配置设置 模拟器旨在提供一致的PPS信号，其精度等于或优于5ns。本文中描述的每个配置以及在SDR输出上选择的每个采样率都执行此校准。 但用户可能会在射频输出和被测接收器之间进行自定义安装，包括射频电缆、LNA、衰减器和分离器。这些组件中的每一个都会为用户可能需要评估的RF信号传播增加一个补充延迟。因此，要获得更好的延迟测量精度，就需要使用更好的仪器（例如，低于1ns）。 使用模拟器高精度评估补充延迟所需的流程如下： 首先，测量设置需要将示波器连接到1 PPS参考和需要评估延迟的RF信号（例如在接收器的输入端）。虽然下图说明了具有内部参考时钟（GPSDO）的配置，但它也适用于本文中描述的其他配置（即，1 PPS参考成为外部时钟的1 PPS输出）。 要测量RF信号与1 PPS之间的延迟，则需要在Skydel模拟器上创建特定场景。测量RF信号定时的最简单方法是广播单个GPS C/A卫星信号，并观察调制代码的最后一个码片和第一个码片之间的转换。由于Skydel 模拟器的特殊设计，每个其他GNSS信号都将与C/A代码完美对齐。 场景描述 在Skydel中创建一个新场景，并在要测量的输出上配置一个新的仅限无线电广播的GPS C/A 信号SDR。在“Settings”面板中，选择将用于评估定时接收器的输出带宽。 在GPS→General（常规选项卡）中，取消选中signal propagation delay（信号传播延迟选项）。然后，Skydel将为每颗卫星模拟零延迟的伪距，使其能够准确地将C/A代码与1 PPS信号对齐。 在GPS→Message Modification→NAV选项卡中，在卫星#10上添加新的消息修正。将所有子帧和字上的每个位设置为0（包括奇偶校验位）。通过此修改，会在调制代码结束时（每毫秒）有一个0/1码片转换。 在GPS→Signals中，取消选择除PRN 10之外的所有卫星信号的RF信号（PRN10在Skydel的默认配置中是可见的，作为扩频码的最后一个码片，它与第一个码片的符号相反）。 在GPS→Signal level中，将Global（全球信号功率）和GPS C/A code设置为最大（各10dB），要确保射频信号显示在示波器上。 运行仿真并调整示波器来同时显示1 PPS信号和RF信号。现在可以准确地测量1 PPS的上升沿与RF信号的相位反转之间的延迟，这有助于确定并补偿在未来测量中采用相同设置带来的延迟。 注意： 由于此处使用的示波器的限制，所以并未绘制1 PPS信号。然而，50% 的上升沿与图中的垂直虚线是对齐的，平面线与RF信号的相位反转同步。在此示例中，测量了1 PPS和RF信号之间520+/-100ps的固定偏移。 结论 GNSS已被证明是定位和导航不可或缺的系统，它对于许多计时应用（如银行或能源生产和传输）也至关重要。对于这些类型的应用，定时接收器的准确性是必不可少的，因此，使用 GNSS 模拟器是实现这种精度的关键。GNSS模拟器的强大之处在于它能够在基带中合成所有GNSS信号，这意味着同一频段上的所有卫星信号彼此之间可以完美同步。 ​

什么是天线极化？ 天线极化是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数，由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。天线的极化特性是以天线辐射的电磁波在 最大辐射方向上电场强度矢量的空间取向 来定义的。 天线的极化分类 天线的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化又分为左旋圆极化和右旋圆极化。本文主要是介绍线极化方向的判定，因此下文对圆极化和椭圆极化不作展开。 线极化 （1） 线极化描述 电场矢量在空间的取向固定不变得电磁波叫极化。有时以地面为参数，电场矢量方向与地面平行的叫水平极化，与地面垂直的叫垂直极化。电场矢量与传播方向构成的平面叫极化平面。垂直极化波的极化平面与地面垂直；水平极化波的极化平面则垂直于入射线、反射线和入射点地面的法线构成的入射平面。 （2） 线极化的数学分析 在三维空间，沿 Z 轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为： （3） 线极化的图形表示 为什么要验证天线极化？ 如果电磁波的极化被天线极化旋转抵消，则该天线仅能捕获所述电磁波的一部分。因此， 如果发射天线和接收天线以同一平面为基准平面，则为了实现通信链路的最佳效率，其极化方向应当相同 。 线极化系统的极化损耗取决于线极化天线和电磁波的极化矢量之间的角度，而且最大极化损耗发生于两者之间呈 45 度角时。在 45 度的极化矢量偏转角度下，最大极化损耗为 0.5 （即 3dB ）。在圆极化或椭圆极化系统的情形下，极化损耗的计算更加复杂，而且最大极化损耗可高达 30dB 。这就是为什么可利用极化实现信号隔离及天线系统之间可发生干扰的原因。虽然存在极化损耗，但以不同方式极化的天线仍可从具有不同极化类型的电磁波中接收到信号。因此，极化可实现的信号隔离效果具有一定的限度。 由于 垂直极化 电磁波比水平极化电磁波 更加易于穿过起伏不平的地貌 ，因此垂直极化天线在 陆地移动通信用途中具有更佳表现 ，而 水平极化 方式在 仰赖电离层且通常为长距离通信的用途中表现更好 。此外，由于 圆极化 通常可 更佳地缓解卫星定向偏移导致的衰弱 ，因此圆极化常用于 卫星通信 。 如何在地面上使用手持式频谱仪验证所安装的微波天线的极化 1 、 用同轴电缆将波导器连接到频谱仪 2 、 远离塔一段距离，这个距离等于从地面到天线的高度 将波导器对准天线的角度为 45 度角，同轴电缆和波导器作为一个小定向天线 3 、 输入想要的频道的中心频率 ； 并将跨度调整到最小 4、 将波导器转为垂直极化，并在指向天线时进行测量 5、 将波导器转为水平极化，并在指向天线时重复同样的测量 6、 比较结果 ， 最高的信号对应于天线的实际极化 ， 在这种情况下，它是水平的 。