射频电路PCB设计
icbuy 2022-12-08
为保证电路性能,在进行射频电路PCB设计时应考虑电磁兼容性,因而重点讨论元器件的布线原则来达到电磁兼容的目的。

随着通信技术的发展,手持无线射频电路技术运用越来越广,如:无线寻呼机、手机、无线PDA等,其中的射频电路的性能指标直接影响整个产品的质量。这些掌上产品的一个最大特点就是小型化,而小型化意味着元器件的密度很大,这使得元器件(包括SMD、SMC、裸片等)的相互干扰十分突出。电磁干扰信号如果处理不当,可能造成整个电路系统的无法正常工作,因此,如何防止和抑制电磁干扰,提高电磁兼容性,就成为设计射频电路PCB时的一个非常重要的课题。同一电路,不同的PCB设计结构,其性能指标会相差很大。本讨论采用Protel99 SE软件进行掌上产品的射频电路PCB设计时,如果最大限度地实现电路的性能指标,以达到电磁兼容要求。

1 板材的选择

印刷电路板的基材包括有机类与无机类两大类。基材中最重要的性能是介电常数εr、耗散因子(或称介质损耗)tanδ、热膨胀系数CET和吸湿率。其中εr影响电路阻抗及信号传输速率。对于高频电路,介电常数公差是首要考虑的更关键因素,应选择介电常数公差小的基材。

2 PCB设计流程

由于Protel99 SE软件的使用与Protel 98等软件不同,因此,首先简要讨论采用Protel99 SE软件进行PCB设计的流程。

①由于Protel99 SE采用的是工程(PROJECT)数据库模式管理,在Windows 99下是隐含的,所以应先键立1个数据库文件用于管理所设计的电路原理图与PCB版图。
②原理图的设计。为了可以实现网络连接,在进行原理设计之间,所用到的元器件都必须在元器件库中存在,否则,应在SCHLIB中做出所需的元器件并存入库文件中。

然后,只需从元器件库中调用所需的元器件,并根据所设计的电路图进行连接即可。
③原理图设计完成后,可形成一个网络表以备进行PCB设计时使用。
④PCB的设计。a.PCB外形及尺寸的确定。根据所设计的PCB在产品的位置、空间的大小、形状以及与其它部件的配合来确定PCB的外形与尺寸。在MECHANICAL LAYER层用PLACE TRACK命令画出PCB的外形。b.根据SMT的要求,在PCB上制作定位孔、视眼、参考点等。c.元器件的制作。假如需要使用一些元器件库中不存在的特殊元器件,则在布局之前需先进行元器件的制作。在Protel99 SE中制作元器件的过程比较简单,选择“DESIGN”菜单中的“MAKE LIBRARY”命令后就进入了元器件制作窗口,再选择“TOOL”菜单中的“NEW COMPONENT”命令就可以进行元器件的设计。这时只需根据实际元器件的形状、大小等在TOP LAYER层以PLACE PAD等命令在一定的位置画出相应的焊盘并编辑成所需的焊盘(包括焊盘形状、大小、内径尺寸及角度等,另外还应标出焊盘相应的引脚名),然后以PLACE TRACK命令在TOP OVERLAYER层中画出元器件的最大外形,取一个元器件名存入元器件库中即可。d.元器件制作完成后,进行布局及布线,这两部分在下面具体进行讨论。e.以上过程完成后必须进行检查。这一方面包括电路原理的检查,另一方面还必须检查相互间的匹配及装配问题。电路原理的检查可以人工检查,也可以采用网络自动检查(原理图形成的网络与PCB形成的网络进行比较即可)。f.检查无误后,对文件进行存档、输出。在Protel99 SE中必须使用“FILE”选项中的“EXPORT”命令,把文件存放到指定的路径与文件中(“IMPORT”命令则是把某一文件调入到Protel99 SE中)。注:在Protel99 SE中“FILE”选项中的“SAVE COPY AS…”命令执行后,所选取的文件名在Windows 98中是不可见的,所以在资源管理器中是看不到该文件的。这与Protel 98中的“SAVE AS…”功能不完全一样。

3 元器件的布局

由于SMT一般采用红外炉热流焊来实现元器件的焊接,因而元器件的布局影响到焊点的质量,进而影响到产品的成品率。而对于射频电路PCB设计而言,电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁辐射,并且具有一定的抗电磁干扰能力,因此,元器件的布局还直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力,这也直接关系到所设计电路的性能。因此,在进行射频电路PCB设计时除了要考虑普通PCB设计时的布局外,主要还须考虑如何减小射频电路中各部分之间相互干扰、如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。根据经验,对于射频电路效果的好坏不仅取决于射频电路板本身的性能指标,很大部分还取决于与CPU处理板间的相互影响,因此,在进行PCB设计时,合理布局显得尤为重要。

布局总原则:元器件应尽可能同一方向排列,通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象;根据经验元器件间最少要有0.5mm的间距才能满足元器件的熔锡要求,若PCB板的空间允许,元器件的间距应尽可能宽。对于双面板一般应设计一面为SMD及SMC元件,另一面则为分立元件。

布局中应注意:

*首先确定与其它PCB板或系统的接口元器件在PCB板上的位置,必须注意接口元器件间的配合问题(如元器件的方向等)。
*因为掌上用品的体积都很小,元器件间排列很紧凑,因此对于体积较大的元器件,必须优先考虑,确定出相应位置,并考虑相互间的配合问题。
*认真分析电路结构,对电路进行分块处理(如高频放大电路、混频电路及解调电路等),尽可能将强电信号和弱电信号分开,将数字信号电路和模拟信号电路分开,完成同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内,从而减小信号环路面积;各部分电路的滤波网络必须就近连接,这样不仅可以减小辐射,而且可以减少被干扰的几率,根据电路的抗干扰能力。
*根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组。对于电路中易受干扰部分的元器件在布局时还应尽量避开干扰源(比如来自数据处理板上CPU的干扰等)。

4 布线

在基本完成元器件的布局后,就可开始布线了。布线的基本原则为:在组装密度许可情况下后,尽量选用低密度布线设计,并且信号走线尽量粗细一致,有利于阻抗匹配。

对于射频电路,信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计,可能造成信号信号传输线之间的交叉干扰;另外,系统电源自身还存在噪声干扰,所以在设计射频电路PCB时一定要综合考虑,合理布线。
布线时,所有走线应远离PCB板的边框(2mm左右),以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。电源线要尽中能宽,以减少环路电阻,同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,以提高抗干扰能力;所布信号线应尽可能短,并尽量减少过孔数目;各元器件间的连线越短越好,以减少分布参数和相互间的电磁干扰;对于不相容的信号线应量相互远离,而且尽量避免平行走线,而在正向两面的信号线应用互垂直;布线时在需要拐角的地址方应以135°角为宜,避免拐直角。
布线时与焊盘直接相连的线条不宜太宽,走线应尽量离开不相连的元器件,以免短路;过孔不腚画在元器件上,且应尽量远离不相连的元器件,以免在生产中出现虚焊、连焊、短路等现象。

在射频电路PCB设计中,电源线和地线的正确布线显得尤其重要,合理的设计是克服电磁干扰的最重要的手段。PCB上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。

地线容易形成电磁干扰的主要原因于地线存在阻抗。当有电流流过地线时,就会在地线上产生电压,从而产生地线环路电流,形成地线的环路干扰。当多个电路共用一段地线时,就会形成公共阻抗耦合,从而产生所谓的地线噪声。因此,在对射频电路PCB的地线进行布线时应该做到:
*首先,对电路进行分块处理,射频电路基本上可分成高频放大、混频、解调、本振等部分,要为各个电路模块提供一个公共电位参考点即各模块电路各自的地线,这样信号就可以在不同的电路模块之间传输。然后,汇总于射频电路PCB接入地线的地方,即汇总于总地线。由于只存在一个参考点,因此没有公共阻抗耦合存在,从而也就没有相互干扰问题。

*数字区与模拟区尽可能地线进行隔离,并且数字地与模拟地要分离,最后接于电源地。
*在各部分电路内部的地线也要注意单点接地原则,尽量减小信号环路面积,并与相应的滤波电路的地址就近相接。
*在空间允许的情况下,各模块之间最好能以地线进行隔离,防止相互之间的信号耦合效应。

5 结论

射频电路PCB设计的关键在于如何减少辐射能力以及如何提高抗干扰能力,合理的布局与布线是设计射频电路PCB的保证。文中所述方法有利于提高射频电路PCB设计的可靠性,解决好电磁干扰问题,进而达到电磁兼容的目的。
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