如何將RF與數(shù)模電路設(shè)計在同一PCB上？

手持無線通信設(shè)備和遙控設(shè)備的普及推動著對模擬、數(shù)字和RF混合設(shè)計需求的顯著增長。手持設(shè)備、基站、遙控裝置、藍牙設(shè)備、計算機無線通信功能、眾多消費電器以及軍事/航空航天系統(tǒng)現(xiàn)需要采用RF技術(shù)。

數(shù)年來，RF設(shè)計需要專業(yè)設(shè)計人員使用專門的設(shè)計和分析工具來完成。典型情況下，PCB的RF部分由RF專業(yè)人員在獨立環(huán)境下設(shè)計好后，再與混合技術(shù)PCB的其余部分合并在一起的。這一過程的效率很低，而且為了與混合技術(shù)整合在一起，常常需要反復(fù)設(shè)計，還需要用到多個互不相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

在過去，設(shè)計功能在兩個設(shè)計環(huán)境進行和重復(fù)，并通過一個非智能的ASCII接口連接(圖1(a))。兩個環(huán)境中的PCB系統(tǒng)設(shè)計和RF專門設(shè)計系統(tǒng)有它們自己的庫、RF設(shè)計數(shù)據(jù)庫和設(shè)計存檔。這就要求兩個環(huán)境中的設(shè)計數(shù)據(jù)(原理圖和版圖)和庫通過一個繁瑣的ASCII接口進行管理和同步。

在這一舊的方法下，RF設(shè)計師孤立于PCB系統(tǒng)設(shè)計中的其他部分進行RF電路的開發(fā)。然后該RF電路再利用ASCII文件翻譯到總體PCB設(shè)計中，從而在主PCB上創(chuàng)建出原理圖和物理實現(xiàn)。如果RF電路存在問題，那么設(shè)計必須在獨立的RF解決方案中修正，然后再重新翻譯進主PCB。

RF模擬器只模擬了理想的射頻電路。在實際混合系統(tǒng)實現(xiàn)中有許多零碎的地層、地過空和相鄰的RF電路，這使得分析變得非常的困難，而且誰都知道這些附加的形狀將會對RF電路運作產(chǎn)生長久的影響。

這一舊方法多年來已成功地用于混合信號電路板設(shè)計，但隨著產(chǎn)品中RF電路含量的增加，兩個獨立設(shè)計系統(tǒng)帶來的問題已開始影響設(shè)計師的生產(chǎn)力、產(chǎn)品上市時間和產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了解決這些問題，Mentor Graphics公司已經(jīng)開發(fā)出一種動態(tài)鏈接技術(shù)，它可以將PCB原理圖和版圖工具與RF設(shè)計和模擬工具集成在一起，從而產(chǎn)生了一種新的解決方案，它可以克服傳統(tǒng)的射頻設(shè)計的缺點。

RF感知(RF aware)PCB設(shè)計

為保持PCB和RF設(shè)計間的設(shè)計意圖，RF設(shè)計工具必須理解PCB布局中面向?qū)?layer-oriented)的結(jié)構(gòu)，而PCB系統(tǒng)也必須理解RF設(shè)計環(huán)境中使用的參數(shù)化平面微波元件。

另一個關(guān)鍵問題是，PCB系統(tǒng)將RF電路的版圖構(gòu)建成短路電路，這妨礙了對設(shè)計進行正確的設(shè)計規(guī)則檢驗(DRC)。對當(dāng)今的復(fù)雜RF系統(tǒng)設(shè)計來說，功能上的RF感知DRC是設(shè)計方法學(xué)確保設(shè)計正確所必須的。

所有這些都對保持設(shè)計意圖有幫助。保持設(shè)計意圖非常關(guān)鍵，因為它是實現(xiàn)在工具集間設(shè)計數(shù)據(jù)的多次往返而不丟失信息的基礎(chǔ)。

RF設(shè)計是個反復(fù)的過程，需要采取很多步驟對設(shè)計進行調(diào)整和優(yōu)化。過去，在真實的PCB設(shè)計背景下，進行RF設(shè)計非常困難。當(dāng)當(dāng)在PCB上實現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化的RF模塊時，仍無法保證它仍工作在最佳狀態(tài)。作為一種驗證，需要對PCB實現(xiàn)進行電磁場分析(EM)。

圖1：(a) 傳統(tǒng)的RF設(shè)計流程；(b) 新的RF設(shè)計流程。

這個設(shè)計流程存在好幾個問題。首先，電路被當(dāng)作簡單的金屬層幾何圖形進行模擬，所以RF工具無法對金屬層進行修改，無法把經(jīng)優(yōu)化的結(jié)果回送至PCB設(shè)計后仍擁有一個良好的RF電路。其次，EM方案很耗時。

在新流程中，因為PCB工具和RF工具對設(shè)計意圖有共識，所以電路可在工具集間傳來送去而不會丟失設(shè)計意圖。這意味著電路模擬(速度很快)和EM分析(當(dāng)需要時)可重復(fù)進行，且可對每次電路修改的結(jié)果進行比對。這一切是在真實PCB環(huán)境中完成的，包含了地平面、RF電路的版圖、導(dǎo)線、過孔及其它元件。

RF PCB設(shè)計瓶頸

RF PCB設(shè)計瓶頸主要有以下幾個。第一，由于PCB板上的每個RF模塊可能已經(jīng)被一個獨立的RF設(shè)計小組設(shè)計出來，以及每個模塊可以獨立進行升級、演變和重利用，因此將整個電路作為一個整體來管理就變得至關(guān)重要，但在任何時候仍然把這些模塊作為單獨的電路元件進行存取。為了解決這個問題，原理圖和版圖工具必須擴展，以支持分層分組電路。通過這一方法，即使一個RF電路已經(jīng)在PCB上布好，它仍然可以作為一個RF電路與其它模塊放在一起，并可以連接到適當(dāng)?shù)腞F設(shè)計小組進行分析。

下一個障礙是如何設(shè)計地平面。在傳統(tǒng)的設(shè)計流程中，采用RF金屬來作為一個黑箱金屬塊，與地的間隔是手工完成的，因為過空要經(jīng)過每一個地層。當(dāng)RF電路更新后(這是一個頻繁的操作)，裁掉的部分就必須手動修改以對應(yīng)新的電路。對某些設(shè)計來說，僅這一編輯過程可能就要花幾周的時間。

新的綜合設(shè)計流程

RF設(shè)計工具和PCB設(shè)計工具之間的綜合一直以ASCII IFF格式文件的雙向轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)。該格式雖能處理部分設(shè)計數(shù)據(jù)，但還遠遠沒有實現(xiàn)無縫的反復(fù)綜合。缺少庫同步是致命的一個原因。

這種設(shè)計需求催生出了一個基于網(wǎng)絡(luò)的工具間的通信，它在RF設(shè)計和系統(tǒng)級PCB設(shè)計間提供一個動態(tài)雙向鏈接(圖1(b))。為支持并行工程處理，多個PCB工程師可同時使用同一個設(shè)計數(shù)據(jù)庫，每人都能鏈接一個或多個模擬部分。現(xiàn)在，可以采用RF設(shè)計工具來設(shè)計RF模塊，并在恰當(dāng)時候?qū)⑵渚C合為系統(tǒng)級原理圖和PCB的一部分，而不再像過去那樣僅是個難以琢磨的黑匣子電路。在此階段，可在任一環(huán)境中升級電路并模擬其效果。

將每個RF電路看作一組對象，以幫助維護可追溯性、版本管理和設(shè)計問題。因為設(shè)計意圖得以保全，所以可實施任意多次的設(shè)計反復(fù)，而沒有時間成本。此外，因為可以在真實系統(tǒng)級PCB環(huán)境中對RF模塊進行模擬，所以應(yīng)該更詳盡地對其功能進行驗證以幫助縮短設(shè)計周期。