射频总结

摘要：针对多层线路板中射频电路板的布局和布线，根据本人在射频电路PCB设计中的经验积累，总结了一些布局布线的设计技巧。并就这些技巧向行业里的同行和前辈咨询，同时查阅相关资料，得到认可，是该行业里的普遍做法。多次在射频电路的PCB设计中采用这些技巧，在后期PCB的硬件调试中得到证实，对减少射频电路中的干扰有很不错的效果，是较优的方案。关键词：射频电路；PCB；布局；布线由于射频(RF)电路为分布参数电路，在电路的实际工作中容易产生趋肤效应和耦合效应，所以在实际的PCB设计中，会发现电路中的干扰辐射难以控制，如：数字电路和模拟电路之间相互干扰、供电电源的噪声干扰、地线不合理带来的干扰等问题。正因为如此，如何在PCB的设计过程中，权衡利弊寻求一个合适的折中点，尽可能地减少这些干扰，甚至能够避免部分电路的干涉，是射频电路PCB设计成败的关键。文中从PCB的LAYOUT角度，提供了一些处理的技巧，对提高射频电路的抗干扰能力有较大的用处。1RF布局这里讨论的主要是多层板的元器件位置布局。元器件位置布局的关键是固定位于RF路径上的元器件，通过调整其方向，使RF路径的长度最小，并使输入远离输出，尽可能远地分离高功率电路和低功率电路，敏感的模拟信号远离高速数字信号和RF信号。在布局中常采用以下一些技巧。1．1一字形布局RF主信号的元器件尽可能采用一字形布局，如图1所示。但是由于PCB板和腔体空间的限制，很多时候不能布成一字形，这时候可采用L形，最好不要采用U字形布局(如图2所示)，有时候实在避免不了的情况下，尽可能拉大输入和输出之间的距离，至少1．5cm以上。另外在采用L形或U字形布局时，转折点最好不要刚进入接口就转，如图3左所示，而是在稍微有段直线以后再转，如图3右图所示。1．2相同或对称布局相同的模块尽可能做成相同的布局或对称的布局，如图4、图5所示。1．3十字形布局偏置电路的馈电电感与RF通道垂直放置，如图6所示，主要是为了避免感性器件之间的互感。1．445度布局为合理的利用空间，可以将器件45度方向布局，使射频线尽可能短，如图7所示。2RF布线布线的总体要求是：RF信号走线短且直，减少线的突变，少打过孔，不与其它信号线相交，RF信号线周边尽量多加地过孔。以下是一些常用的优化方式：2．1渐变线处理在射频线宽比IC器件管脚的宽度大比较多的情况下，接触芯片的线宽采用渐变方式，如图8所示。2．2圆弧线处理射频线不能直的情况下，作圆弧线处理，这样可以减少RF信号对外的辐射和相互问的耦合。有实验证明，传输线的拐角采用变曲的直角，能最大限度的降低回损。如图9所示。2．3地线和电源地线尽可能粗。在有条件的情况下，PCB的每一层都尽可能的铺地，并使地连到主地上，多打地过孔，尽量降低地线阻抗。RF电路的电源尽量不要采用平面分割，整块的电源平面不但增加了电源平面对RF信号的辐射，而且也容易被RF信号的干扰。所以电源线或平面一般采用长条形状，根据电流的大小进行处理，在满足电流能力的前提下尽可能粗，但是又不能无限制的增宽。在处理电源线的时候，一定要避免形成环路。电源线和地线的方向要与RF信号的方向保持平行但不能重叠，在有交叉的地方最好采用垂直十字交叉的方式。2．4十字交叉处理RF信号与IF信号走线十字交叉，并尽可能在他们之间隔一块地。RF信号与其他信号走线交叉时，尽量在它们之间沿着RF走线布置一层与主地相连的地。如果不可能，一定要保证它们是十字交叉的。这里的其他信号走线也包括电源线。2．5包地处理对射频信号、干扰源、敏感信号及其他重要信号进行包地处理，这样既可以提高该信号的抗干扰能力，也可以减少该信号对其他信号的干扰。如图10所示。2．6铜箔处理铜箔处理要求圆滑平整，不允许有长线或尖角，若不能避免，则在尖角、细长铜箔或铜箔的边缘处补几个地过孔。2．7间距处理射频线离相邻地平面边缘至少要有3W的宽度，且3W范围内不得有非接地过孔。同层的射频线要作包地处理，并在地铜皮上加地过孔，孔间距应小于信号频率所对应波长(λ)的1／20，均匀排列整齐。包地铜皮边缘离射频线2W的宽度或3H的高度，H表示相邻介质层的总厚度。3腔体处理对整个RF电路，应把不同模块的射频单元用腔体隔离，特别是敏感电路和强烈辐射源之间，在大功率的多级放大器中，也应保证级与级之间的隔离。整个电路支流放置好后，就是对屏蔽腔的处理，屏蔽腔体的处理有以下注意事项：整个屏蔽腔体尽量做成规则形状，便于铸模。对于每一个屏蔽腔尽量做成长方形，避免正方形的屏蔽腔。屏蔽腔的转角采用弧形，屏蔽金属腔体一般采用铸造成型，弧形的拐角便于铸造成型时候拔模。如图12所示。屏蔽腔体的周边是密封的，接口的线引入腔体一般采用带状线或微带线，而腔体内部不同模块采用微带线，不同腔体相连处采用开槽处理，开槽的宽度为3mm，微带线走在正中间。腔体的拐角放置3mm的金属化孔，用来固定屏蔽壳，在每支长的腔体上也要均匀放置同等的金属化孔，用来加固支撑作用。腔体一般做开窗处理，便于焊接屏蔽壳，腔体上一般厚2mm以上，腔体上加2排开窗过孔屏，过孔相互错开，同一排过孔之间间距150MIL。4结束语射频电路PCB设计成败的关键在于如何减少电路辐射，从而提高抗干扰能力，但是在实际的布局与布线中一些问题的处理是相冲突的，因此如何寻求一个折中点，使整个射频电路的综合性能达到最优，是设计者必须要考虑的问题。所有这些都要求设计者具有一定的实践经验和工程设计能力，但是要具备这些能力，每一个设计者都不可能一蹴而就的，只有从其他人那里借鉴经验，加上自己的不停摸索和思考，才能不断进步。本文总结工作中的一些设计经验，有利于提高射频电路PCB的抗干扰能力，帮助射频电路设计初学者少走不必要的弯路进入移动互联网时代，手机集成了越来越多的RF技术，比如支持LTE、TD-SCDMA、WCMDA、CDMA2000、HSDPA、EDGE、GPRS、GSM中多个标准的双模/多模手机，可实现VoIP、导航、自动支付、电视接收的Wi-Fi、GPS、RFID、NFC手机。采用多种RF技术使手机的设计变得越来越复杂。手机射频技术和手机射频模块基本构成3G手机射频部分由射频接收和射频发送两部分组成，其主要电路包括天线、无线开关、接收滤波、频率合成器、高频放大、接收本振、混频、中频、发射本振、功放控制、功放等。总体来说，基本的手机射频部分中的关键元件主要包括RF收发器(Transceiver)，功率放大器(PA)，天线开关模块(ASM)，前端模块(FEM)，双工器，RFSAW滤波器及合成器等，如图所示。下面将着重从三个基本部分开始介绍：图手机射频模块基本构成图手机射频模块功率放大器(PA)功率放大器(PA)用于将收发器输出的射频信号放大。功率放大器领域是一个有门槛的独立的领域，也是手机里无法集成化的元件，同时这也是手机中最重要的元件，手机性能、占位面积、通话质量、手机强度、电池续航能力都由功率放大器决定。功率放大器领域主要厂家是RFMD、Skyworks、TriQuint、Renesas、NXP、Avago、ANADIGICS。现在，原本是PA企业合作伙伴的高通，也直接加入到PA市场中，将在2013年下半年推出以CMOS制程生产的PA，支持LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA、EV-DO、CDMA1x、TD-SCDMA与GSM/EDGE七种模式，频谱将涵盖全球使用中的逾40个频段，以多频多模优势宣布进军PA产业。PA市场经历了LDMSPA“擂主”时代之后，砷化镓(GaAs)PA成为3G时代PA市场的“擂主”。当年带领砷化镓攻打PA市场的TriQuint正在积极布局砷化镓的蓝图，针对3G/4G智能手机扩展连接推出高效率多频多模功率放大器MMPA。而高通以CMOSPA攻擂PA市场，未来PA可能会成为手机平台的一部分，并会出现手机芯片平台企业收购、兼并PA企业的现象。如何集成这些不同频段和制式的功率放大器是业界一直在研究的重要课题。目前有两种方案：一种是融合架构，将不同频率的射频功率放大器PA集成；另一种架构则是沿信号链路的集成，即将PA与双工器集成。两种方案各有优缺点，适用于不同的手机。融合架构，PA的集成度高，对于3个以上频带巨有明显的尺寸优势，5-7个频带时还巨有明显的成本优势。缺点是虽然PA集成了，但是双工器仍是相当复杂，并且PA集成时有开关损耗，性能会受影响。而对于后一种架构，性能更好，功放与双功器集成可以提升电流特性，大约可以节省几十毫安电流，相当于延长15%的通话时间。所以，业内人士的建议是，大于6个频段时（不算2G，指3G和4G）采用融合架构，而小于四个频段时采用PA与双工器集成的方案PAD。目前TriQuint可提供两种架构的方案，RFMD主要偏向于融合PA的架构，Skyworks偏向于多频PAD方案。手机射频模块RF收发器收发器是手机射频的核心处理单元，主要包括收信单元和发信单元，前者完成对接收信号的放大，滤波和下变频最终输出基带信号。通常采用零中频和数字低中频的方式实现射频到基带的变换;后者完成对基带信号的上变频、滤波、放大。主要采用二次变频的方式实现基带信号到射频信号的变换。当射频/中频(RF/IF)IC接收信号时，收信单元接受自天线的信号(约800Hz～3GHz)经放大、滤波与合成处理后，将射频信号降频为基带，接着是基带信号处理;而RF/IFIC发射信号时，则是将20KHz以下的基带，进行升频处理，转换为射频频带内的信号再发射出去。前些年收发器领域厂家分为两大类，一类是依托基频平台，将收发器作为平台的一部分，如高通、NXP、飞思卡尔和联发科。这是因为收发器与基频的关系非常密切，两者通常需要协同设计。另一类是专业的射频厂家，不依靠基频平台来拓展收发器市场，如英飞凌、意法半导体、和Skyworks。随着收发器向集成化和多模化发展，单模的收发器已经完全集成到基频里。不同频段和制式的射频前端器件也一直在以不同的方式集生产。分立的RF收发器越来越少见。手机射频前端模块(FEM)前端模块集成了开关和射频滤波器，完成天线接收和发射的切换、频段选择、接收和发射射频信号的滤波。在2GHz以下的频段，许多射频前端模块以互补金属氧化物半导体(CMOS)、双极结型晶体管(BJT)、硅锗(SiGe)或BipolarCMOS等硅集成电路制程设计，逐渐形成主流。由于硅集成电路具有成熟的制程，足以设计庞大复杂的电路，加上可以与中频与基频电路一起设计，因而有极大的发展潜力。其它异质结构晶体管亦在特殊用途的电路崭露头角;然而在5GHz以上的频段，它在低噪声特性、高功率输出、功率增加效率的表现均远较砷化镓场效晶体管逊色，现阶段砷化镓场效晶体管制程仍在电性功能的表现上居优势。射频前端模块电路设计以往均着重功率放大器的设计，追求低电压操作、高功率输出、高功率增加效率，以符合使用低电压电池，藉以缩小体积，同时达到省电的要求。功率增加效率与线性度往往无法兼顾，然而在大量使用数字调变技术下，如何保持良好的线性度，成为必然的研究重点。比如，2013年初出现的高集成智能手机前端模块，除了覆盖传统的GSM850、900、1800和1900MHz频段以外，还涵盖WCDMA第1、2、4和5频段，以及LTE第2、4、5和17频段。除三个声表面波滤波器和五个双工器以外，该模块还包含频段选择开关和解码器，同时在天线输出端还带有可防护高达4kV的ESD保护电路。手机RF模块发展趋势随着手机制造商继续开发支持更多的频段和精简射频架构的手机，将3G手机中使用的GSM、EDGE、WCDMA和HSPA等多种频段和空中接口模块整合在一个高度集成、经过优化的RF模块中，已经成为3G手机设计射频方案的首选。手机中的射频(RF)前端将越来越多地采用集成模块，因为它可以使子系统简化、成本下降和尺寸缩小，为手机增加新功能、节省提供空间，并为实现单芯片前端解决方案创造条件。随着前端模块(FEMs)到射频(RF)收发器模块相继投入使用，手机RF前端的整合之路一直在持续发展。事实上，早在RF收发器采用直接转换或零中频(ZIF)架构(先消除中频段，随后消除