RF與數(shù)模電路的PCB設(shè)計

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(lán)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)樱╨ayer-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）。

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)?RF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(yuǎn)遠(yuǎn)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?，F(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。

最大程度降低PCB互連設(shè)計中RF效應(yīng)

電路板系統(tǒng)的互連包括：芯片到電路板、PCB板內(nèi)互連以及PCB與外部器件之間的三類互連。在RF設(shè)計中，互連點處的電磁特性是工程設(shè)計面臨的主要問題之一，本文介紹上述三類互連設(shè)計的各種技巧，內(nèi)容涉及器件安裝方法、布線的隔離以及減少引線電感的措施等等。

目前有跡象表明，印刷電路板設(shè)計的頻率越來越高。隨著數(shù)據(jù)速率的不斷增長，數(shù)據(jù)傳送所要求的帶寬也促使信號頻率上限達(dá)到1GHz，甚至更高。這種高頻信號技術(shù)雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出毫米波技術(shù)范圍（30GHz），但的確也涉及RF和低端微波技術(shù)。

RF工程設(shè)計方法必須能夠處理在較高頻段處通常會產(chǎn)生的較強電磁場效應(yīng)。這些電磁場能在相鄰信號線或PCB線上感生信號，導(dǎo)致令人討厭的串?dāng)_（干擾及總噪聲），并且會損害系統(tǒng)性能。回?fù)p主要是由阻抗失配造成，對信號產(chǎn)生的影響如加性噪聲和干擾產(chǎn)生的影響一樣。

高回?fù)p有兩種負(fù)面效應(yīng)：1.信號反射回信號源會增加系統(tǒng)噪聲，使接收機更加難以將噪聲和信號區(qū)分開來；2.任何反射信號基本上都會使信號質(zhì)量降低，因為輸入信號的形狀出現(xiàn)了變化。

盡管由于數(shù)字系統(tǒng)只處理1和0信號并具有非常好的容錯性，但是高速脈沖上升時產(chǎn)生的諧波會導(dǎo)致頻率越高信號越弱。盡管前向糾錯技術(shù)可以消除一些負(fù)面效應(yīng)，但是系統(tǒng)的部分帶寬用于傳輸冗余數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。一個較好的解決方案是讓RF效應(yīng)有助于而非有損于信號的完整性。建議數(shù)字系統(tǒng)最高頻率處 （通常是較差數(shù)據(jù)點）的回?fù)p總值為-25dB，相當(dāng)于VSWR為1.1。

PCB設(shè)計的目標(biāo)是更小、更快和成本更低。對于RFPCB而言，高速信號有時會限制PCB設(shè)計的小型化。目前，解決串?dāng)_問題的主要方法是進行接地層管理，在布線之間進行間隔和降低引線電感（studcapacitance）。降低回?fù)p的主要方法是進行阻抗匹配。此方法包括對絕緣材料的有效管理以及對有源信號線和地線進行隔離，尤其在狀態(tài)發(fā)生跳變的信號線和地之間更要進行間隔。

由于互連點是電路鏈上最為薄弱的環(huán)節(jié)，在RF設(shè)計中，互連點處的電磁性質(zhì)是工程設(shè)計面臨的主要問題，要考察每個互連點并解決存在的問題。電路板系統(tǒng)的互連包括芯片到電路板、PCB板內(nèi)互連以及PCB與外部裝置之間信號輸入/輸出等三類互連。

一、芯片到PCB板間的互連

Pentium IV以及包含大量輸入/輸出互連點的高速芯片已經(jīng)面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且處理速率已經(jīng)能夠達(dá)到1GHz。在最近GHz互連研討會 （www.az.ww.com）上，最令人激動之處在于：處理I/O數(shù)量和頻率不斷增長問題的方法已經(jīng)廣為人知。芯片與PCB互連的最主要問題是互連密度太高會導(dǎo)致PCB材料的基本結(jié)構(gòu)成為限制互連密度增長的因素。會議上提出了一個創(chuàng)新的解決方案，即采用芯片內(nèi)部的本地?zé)o線發(fā)射器將數(shù)據(jù)傳送到鄰近的電路板上。

無論此方案是否有效，與會人員都非常清楚：就高頻應(yīng)用而言，IC設(shè)計技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于PCB設(shè)計技術(shù)。

二、PCB板內(nèi)互連

進行高頻PCB設(shè)計的技巧和方法如下：

　　1. 傳輸線拐角要采用45°角，以降低回?fù)p（圖1）；

　　2. 要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴(yán)格受控的高性能絕緣電路板。這種方法有利于對絕緣材料與鄰近布線之間的電磁場進行有效管理。

　　3. 要完善有關(guān)高精度蝕刻的PCB設(shè)計規(guī)范。要考慮規(guī)定線寬總誤差為+/-0.0007英寸、對布線形狀的下切（undercut）和橫斷面進行管理并指定布線側(cè)壁電鍍條件。對布線（導(dǎo)線）幾何形狀和涂層表面進行總體管理，對解決與微波頻率相關(guān)的趨膚效應(yīng)問題及實現(xiàn)這些規(guī)范相當(dāng)重要。

　　4. 突出引線存在抽頭電感，要避免使用有引線的組件。高頻環(huán)境下，最好使用表面安裝組件。

　　5. 對信號過孔而言，要避免在敏感板上使用過孔加工（pth）工藝，因為該工藝會導(dǎo)致過孔處產(chǎn)生引線電感。如一個20層板上的一個過孔用于連接1至3層時，引線電感可影響4到19層。

　　6. 要提供豐富的接地層。要采用模壓孔將這些接地層連接起來防止3維電磁場對電路板的影響。

　　7. 要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金工藝，不要采用HASL法進行電鍍。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應(yīng)（圖2）。此外，這種高可焊涂層所需引線較少，有助于減少環(huán)境污染。

　　8. 阻焊層可防止焊錫膏的流動。但是，由于厚度不確定性和絕緣性能的未知性，整個板表面都覆蓋阻焊材料將會導(dǎo)致微帶設(shè)計中的電磁能量的較大變化。一般采用焊壩（solderdam）來作阻焊層。

如果你不熟悉這些方法，可向曾從事過軍用微波電路板設(shè)計的經(jīng)驗豐富的設(shè)計工程師咨詢。你還可同他們討論一下你所能承受的價格范圍。例如，采用背面覆銅共面 （copper-backedcoplanar）微帶設(shè)計比帶狀線設(shè)計更為經(jīng)濟，你可就此同他們進行討論以便得到更好的建議。優(yōu)秀的工程師可能不習(xí)慣考慮成本問題，但是其建議也是相當(dāng)有幫助的。現(xiàn)在要盡量對那些不熟悉RF效應(yīng)、缺乏處理RF效應(yīng)經(jīng)驗的年輕工程師進行培養(yǎng)，這將會是一項長期工作。

此外，還可以采用其他解決方案，如改進計算機型，使之具備RF效應(yīng)處理能力。

三、PCB與外部裝置互連

現(xiàn)在可以認(rèn)為我們解決了板上以及各個分立組件互連上的所有信號管理問題。那么怎么解決從電路板到連接遠(yuǎn)端器件導(dǎo)線的信號輸入/輸出問題呢？同軸電纜技術(shù)的創(chuàng)新者TrompeterElectronics公司正致力于解決這個問題，并已經(jīng)取得一些重要進展（圖3）。 另外，看一下圖4中給出的電磁場。這種情況下，我們管理著微帶到同軸電纜之間的轉(zhuǎn)換。在同軸電纜中，地線層是環(huán)形交織的，并且間隔均勻。在微帶中，接地層在有源線之下。這就引入了某些邊緣效應(yīng)，需在設(shè)計時了解、預(yù)測并加以考慮。當(dāng)然，這種不匹配也會導(dǎo)致回?fù)p，必須最大程度減小這種不匹配以避免產(chǎn)生噪音和信號干擾。

電路板內(nèi)阻抗問題的管理并不是一個可以忽略的設(shè)計問題。阻抗從電路板表層開始，然后通過一個焊點到接頭，最后終結(jié)于同軸電纜處。由于阻抗隨頻率變化，頻率越高，阻抗管理越難。在寬帶上采用更高頻率來傳輸信號的問題看來是設(shè)計中面臨的主要問題。