RF電路設(shè)計(jì)中降低寄生信號途徑

RF電路板設(shè)計(jì)最重要的是不該有信號的地方要隔離信號，而該有信號的地方一定要獲得信號。這就要求我們有意識地采取措施，確保信號隔離于其路徑適當(dāng)?shù)牟课?。音調(diào)、信號、時鐘及其在電路板上任何地方生成的所有諧波都可能作為寄生信號混入輸出信號，甚至可能會進(jìn)入混頻器和轉(zhuǎn)換器進(jìn)而被轉(zhuǎn)換、反映并混淆為寄生信號。傳輸掩模（Transmit mask）要求表明即便最微小的寄生信號也會阻礙產(chǎn)品的發(fā)布。

　　寬帶器件支持軟件定義無線電（SDR）的這一當(dāng)前趨勢將進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)降低寄生信號的重要性。由于可部署統(tǒng)一信號平臺設(shè)計(jì)來滿足多種頻帶需求，因此插入式RF模塊可替代其中較多信號可能會相互干擾的較大電路板。包括大多數(shù)RF廠商評估板在內(nèi)的小型插入式RF模塊可以實(shí)現(xiàn)完全隔離，并具備優(yōu)異的寄生信號性能，但需要使用特殊設(shè)計(jì)方法。種種通孔、頂層布線、專用接地層等布局技術(shù)雖然能夠充分滿足小型RF電路板的需求，但可擴(kuò)展性較差。

　　RF布局要想降低寄生信號，就需要RF工程師發(fā)揮創(chuàng)造性，因?yàn)椴季止ぞ哚槍Υ笠?guī)模布局進(jìn)行了優(yōu)化，但不一定適合電磁分析。布局和電路板評測過程中通常采用基本規(guī)則，但真正的測試是在電路板原型設(shè)計(jì)已經(jīng)完成并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行評估的時候。電源電平與線性等基本電路板功能檢測完成之后，評估寄生信號性能將成為重點(diǎn)。在這一末期工作階段，寄生信號需要RF工程師發(fā)揮創(chuàng)造性，確定寄生信號的根源并找到解決辦法。但是，這種調(diào)試時間幾乎不可能預(yù)測和安排，而且解決問題往往還需要使電路板運(yùn)行起來，這將會造成項(xiàng)目延誤，增加成本。

　　大多數(shù)RF工程師依據(jù)一些簡單原理得出的基本規(guī)則可用于布局評測工作。記住以下這八條規(guī)則，不但有助于加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，而且還可提高工作日程的可預(yù)見性。

　　規(guī)則1：接地通孔應(yīng)位于接地參考層開關(guān)處

　　流經(jīng)所布線路的所有電流都有相等的回流。耦合策略固然很多，不過回流通常流經(jīng)相鄰的接地層或與信號線路并行布置的接地。在參考層繼續(xù)時，所有耦合都僅限于傳輸線路，一切都非常正常。不過，如果信號線路從頂層切換至內(nèi)部或底層時，回流也必須獲得路徑。

　　圖1就是一個實(shí)例。頂層信號線路電流下面緊挨著就是回流。當(dāng)它轉(zhuǎn)移到底層時，回流就通過附近的通孔。不過，如果附近沒有用于回流的通孔時，回流就要通過最近可用的接地通孔。更遠(yuǎn)的距離會產(chǎn)生電流環(huán)路，形成電感器。如果這種不必要的電流路徑偏移，碰巧又同另一條線路交叉，那么干擾就會更嚴(yán)重。這種電流環(huán)路其實(shí)相當(dāng)于形成了一個天線！

　　圖1：信號電流從器件引腳經(jīng)過通孔流到較低層?；亓髟诒黄攘飨蜃罱赘淖冎敛煌瑓⒖紝又拔挥谛盘栔?。

　　接地參考是最佳策略，但高速線路有時候可布置在內(nèi)部層上。接地參考層上下都放置非常困難，半導(dǎo)體廠商可能會受到引腳限制，把電源線安放在高速線路旁邊。參考電流要是需要在非DC耦合的各層或各網(wǎng)之間切換，應(yīng)緊挨著開關(guān)點(diǎn)安放去耦電容。

　　規(guī)則2：將器件焊盤與頂層接地連接起來

　　許多器件在器件封裝底部都采用散熱接地焊盤。在RF器件上，這些通常都是電氣接地，而相鄰焊盤點(diǎn)有接地通孔陣列?？蓪⑵骷副P直接連接至接地引腳，并通過頂層接地連接至任何灌銅。如有多個路徑，回流會按路徑阻抗比例拆分。通過焊盤進(jìn)行接地連接相對于引腳接地而言，路徑更短、阻抗更低。

　　電路板與器件焊盤之間良好的電氣連接至關(guān)重要。裝配時，電路板通孔陣列中的未填充通孔也可能會抽走器件的焊膏，留下空隙。填滿通孔是保證焊接到位的好辦法。在評測中，還要打開焊接掩模層確認(rèn)沒有焊接掩模在器件下方的電路板接地上，因?yàn)楹附友谀？赡軙Ц咂骷蚴蛊鋼u擺。

　　規(guī)則3：無參考層間隙

　　器件周邊到處都是通孔。電源網(wǎng)分解成本地去耦，然后降至電源層，通常提供多個通孔以最大限度減少電感，提高載流容量，同時控制總線可降至內(nèi)層。所有這些分解最終都會在器件附近完全被鉗住。

　　每個這些通孔都會在內(nèi)接地層上產(chǎn)生大于通孔直徑自身的禁入?yún)^(qū)，提供制造空隙。這些禁入?yún)^(qū)很容易在回流路徑上造成中斷。一些通孔彼此靠近則會形成接地層溝，頂層CAD視圖看不見，這將導(dǎo)致情況進(jìn)一步復(fù)雜化。圖2兩個電源層通孔的接地層空隙可產(chǎn)生重疊的禁入?yún)^(qū)，并在返回路徑上造成中斷?；亓髦荒苻D(zhuǎn)道繞過接地層禁入?yún)^(qū)，形成現(xiàn)在常見的發(fā)射感應(yīng)路徑問題。

　　圖2：通孔周圍接地層的禁入?yún)^(qū)可能重疊，迫使回流遠(yuǎn)離信號路徑。即便沒有重疊，禁入?yún)^(qū)也會在接地層形成鼠咬阻抗中斷。

　　甚至“友好型”接地通孔也會為相關(guān)金屬焊盤帶來電路板制造工藝要求的最小尺寸規(guī)格。通孔如果非?？拷盘柧€路，就會產(chǎn)生好像頂層接地空隙被老鼠咬掉一塊一樣的侵蝕。圖2是鼠咬示意圖。

　　由于禁入?yún)^(qū)由CAD軟件自動生成，通孔在系統(tǒng)電路板上的使用又很頻繁，因此先期布局過程幾乎總會出現(xiàn)一些返回路徑中斷問題。布局評測時要跟蹤每條高速線路，檢查相關(guān)回流層以避免中斷。讓所有可在任何區(qū)域產(chǎn)生接地層干擾的通孔更靠近頂層接地空隙是一個不錯的方法。

　　規(guī)則4：保持差分線路的差分性

　　回流路徑對信號線路性能至關(guān)重要，其應(yīng)視為信號路徑的一部分。與此同時，差分對通常沒有緊密耦合，回流可能流經(jīng)相鄰層。兩個回流必須通過相等的電氣路徑布線。

　　即便在差分對的兩條線路不緊密耦合時，鄰近與共享型設(shè)計(jì)限制也會讓回流處于相同層。要真正保持低寄生信號，需要更好的匹配。差分組件下接地層的斷流器等任何計(jì)劃結(jié)構(gòu)都應(yīng)是對稱的。同樣，長度是否匹配可能也會產(chǎn)生信號線路中的波形曲線問題?；亓鞑粫鸩ㄐ吻€問題。一條差分線路的長度匹配情況應(yīng)在其它差分線路中體現(xiàn)。

　　規(guī)則5：RF信號線路附近沒有時鐘或控制線路

　　時鐘和控制線路有時可視為沒什么影響的鄰居，因?yàn)槠涔ぷ魉俣鹊?，甚至接近DC。不過，其開關(guān)特性幾乎接近方波，可在奇數(shù)諧波頻率下生成獨(dú)特的音調(diào)。方波發(fā)射能源的基本頻率雖然不會產(chǎn)生什么影響，但其銳利的邊緣可能會有影響。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)折頻率可估算必須要考慮的最高頻率諧波，計(jì)算方式為：Fknee=0.5/Tr，這里的Tr是上升時間。請注意，是上升時間，而不是信號頻率。不過銳利邊緣的方波也有強(qiáng)大的高階奇數(shù)諧波，其可能只在錯誤頻率下下降并耦合在RF線路上，違反嚴(yán)格的傳輸掩模要求。

　　時鐘和控制線路應(yīng)由內(nèi)部接地層或頂層接地灌流（ground pour）與RF信號線路隔離。如果不能使用接地隔離信號，那么線路布線應(yīng)確保直角交叉。因?yàn)闀r鐘或控制線路發(fā)射的磁通線路會圍繞干擾源線路的電流形成放射柱形等高線，它們將不會在接收器線路中產(chǎn)生電流。放慢上升時間不但可降低轉(zhuǎn)折頻率，而且還有助于減少干擾源的干擾，但時鐘或控制線路也可充當(dāng)接收器線路。接收器線路仍可作為將寄生信號導(dǎo)入器件的導(dǎo)管。

　　規(guī)則6：使用接地隔離高速線路

　　微波傳輸帶與帶線大多數(shù)都與相鄰接地層耦合。一些通量線路仍沿水平方向散發(fā)，并端接于相鄰跡線。一條高速線路或差分對上的音調(diào)在下一條跡線上終結(jié)，但信號層上的接地灌流會為通量線路帶來較低阻抗的終點(diǎn)，讓鄰近跡線不受音調(diào)干擾。

　　時鐘分布或合成器設(shè)備路由出來、用于承載相同頻率的跡線集群可能相鄰而行，因?yàn)楦蓴_源音調(diào)已經(jīng)存在于接收器線路上。不過，分組的線路最終會分散。分散時，應(yīng)在分散線路之間提供接地灌流，并在其開始分散的地方灌入通孔，以便感應(yīng)回流沿著額定回流路徑流回。在圖3中，接地島末端的通孔可使感應(yīng)電流流到參考層上。接地灌流上其它通孔之間的間隔不要超過一個波長的十分之一，以確保接地不會成為共振結(jié)構(gòu)。

　　圖3：差分線路分散處的頂層接地通孔為回流提供流動路徑

　　規(guī)則7：不要在噪聲較大的電源層進(jìn)行RF線路布線

　　音調(diào)進(jìn)入電源層就會擴(kuò)散到每個地方。如果雜散音調(diào)進(jìn)入電源、緩沖器、混頻器、衰減器和振蕩器，就會對干擾頻率進(jìn)行調(diào)制。同樣，當(dāng)電源到達(dá)電路板時，它還沒有徹底被清空而實(shí)現(xiàn)對RF電路系統(tǒng)的驅(qū)動。應(yīng)最大限度減少RF線路在電源層的暴露，特別是未過濾的電源層。

　　鄰近接地的大型電源層可創(chuàng)建高質(zhì)量嵌入式電容，使寄生信號衰減，并用于數(shù)字通信系統(tǒng)與某些RF系統(tǒng)。另一種方法是使用最小化電源層，有時更像是肥大跡線而不能說是層，這樣RF線路更容易徹底避開電源層。這兩種方法都可行，不過決不能將二者的最差特性湊在一起，也就是既使用小型電源層，又在頂部走線RF線路。

　　規(guī)則8：讓去耦靠近器件

　　去耦不僅有助于避免雜散噪聲進(jìn)入器件，還可幫助消除器件內(nèi)部生成的音調(diào)，避免其耦合到電源層上。去耦電容越靠近工作電路系統(tǒng)，效率就越高。本地去耦受電路板跡線的寄生阻抗干擾較小，較短的跡線支持較小的天線，減少有害音調(diào)發(fā)射。電容器安放要結(jié)合最高自共振頻率，通常最小值、最小外殼尺寸、最靠近器件，以及越大的電容器，離器件越遠(yuǎn)。在RF頻率下，電路板背面的電容器會產(chǎn)生通孔串連接地路徑的寄生電感，損失大量噪聲衰減優(yōu)勢。

　　總結(jié)

　　通過電路板布局評測，我們可發(fā)現(xiàn)可能發(fā)射或接收雜散RF音調(diào)的結(jié)構(gòu)。要跟蹤每一條線路，有意識地明確其回流路徑，確保它能夠與線路并行，特別是要徹底檢查過渡。此外，還要將潛在干擾源與接收器隔離。按照一些簡單直觀的規(guī)則降低寄生信號，可加速產(chǎn)品發(fā)布，降低調(diào)試成本。