今天看到Altium網(wǎng)站上的一篇文章《RF PCB Design Guidelines for Digital Engineers: Layout and Routing》，為數(shù)字工程師寫(xiě)的一片射頻PCB設(shè)計(jì)指南。我們一起來(lái)看看這篇指南講的什么內(nèi)容。
| 1，開(kāi)發(fā) RF PCB 布局或具有高頻 RF 部分的數(shù)字系統(tǒng)時(shí)需要回答的一些重要問(wèn)題：
涉及哪些協(xié)議？
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RF 系統(tǒng)需要執(zhí)行涉及高頻的作，這些高頻可能在某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議和頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。系統(tǒng)中也可能有多個(gè)協(xié)議，不同的協(xié)議不應(yīng)相互干擾。
涉及哪些頻率？
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一般來(lái)說(shuō)，低頻比高頻更寬容，因?yàn)榧纳诘皖l下不太明顯。射頻系統(tǒng)也不太可能在較低頻率下將輻射噪聲相互耦合。
涉及哪些數(shù)字接口？
對(duì)于某些系統(tǒng)，數(shù)字接口可能具有較慢的邊沿速率（SPI、I2C 等），因此它們可能不會(huì)對(duì)模擬性能產(chǎn)生重大影響，除非您忽略 routing 和 PCB 布局的最佳實(shí)踐。具有高計(jì)算能力的嵌入式系統(tǒng)將使用千兆以太網(wǎng)、DDR、PCIe 等高速協(xié)議，這將更容易在 RF 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生串?dāng)_。
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RF PCB 設(shè)計(jì)：混合信號(hào) PCB 布局規(guī)劃
| 數(shù)字設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用布局規(guī)劃方法處理 RF 系統(tǒng)。這里的高級(jí)目標(biāo)是根據(jù)組件在為產(chǎn)品提供功能方面的作用將組件分組到功能塊中。一個(gè)次要目標(biāo)是消除需要在整個(gè)電路板上布線長(zhǎng) RF 互連以進(jìn)行所需連接的情況。 |
| 盡量保持緊湊，并盡可能將內(nèi)容劃分為不同的塊。當(dāng)您開(kāi)始分解功能塊時(shí)，您需要在電路板上來(lái)回路由 RF 和數(shù)字走線。這會(huì)產(chǎn)生更多可能發(fā)生強(qiáng)串?dāng)_的位置，并且在整個(gè)電路板上跟蹤您的返回路徑變得更加困難。 |
RF 器件：PCB 疊層設(shè)計(jì)
| 堆疊設(shè)計(jì)與布局規(guī)劃有關(guān)，因?yàn)槟牟季€策略和布局需要接地策略，尤其是在實(shí)際的 RF 頻率下。您使用的 PCB 疊層將決定 PCB 布局中的電源和接地通道，以及用于電路板中信號(hào)布線的可用空間。可用于 RF 設(shè)計(jì)的 8 層計(jì)數(shù) PCB 疊層示例如下所示。雖然這并不典型，但它為低速、高速和 RF 信號(hào)的堆疊中選擇層和排列信號(hào)層與平面層提供了模式。 |
| 在這個(gè)例子堆疊中，頂層有走線，用于在高頻模擬元件之間提供直接連接;這些可以采用我將在下面介紹的任何 routing 樣式進(jìn)行布線。在此正下方，我們有接地/電源層，它們相鄰以提供層間電容并確保在整個(gè)系統(tǒng)中提供穩(wěn)定的電源（對(duì)于數(shù)字和模擬組件）。在內(nèi)層，我們可以有其他（較低頻率的）射頻信號(hào)，或者我們可以有低速數(shù)字信號(hào)。在底面上，我允許高速數(shù)字信號(hào)的可能性，盡管只要控制返回路徑，我們可以將這些不同的信號(hào)混合在頂層和底層。 |
| 另一個(gè)接近典型高速數(shù)字 PCB 疊層的示例如下所示。正如我們預(yù)期的那樣，此示例還使用了交替的信號(hào)層和平面層，但它包括一個(gè)專用的電源層。例如，這將用于電路板上的 RF 和數(shù)字組件所需的不同電壓的多個(gè)電源軌的情況。如果我們?cè)?PCB 上使用大型處理器，這就是我們想要的疊層類型;這是因?yàn)樘幚砥魍ǔＰ枰鄠€(gè)電壓來(lái)運(yùn)行各種 I/O 和接口，而這些組件通常無(wú)法在內(nèi)部產(chǎn)生這些核心電壓。 |
比之前的 8 層疊層更先進(jìn)的第三個(gè)選項(xiàng)如下所示。在這個(gè) 8 層 PCB 疊層中，外層變得非常薄，原因有三個(gè)：
薄的外部電介質(zhì)可用于 HDI 設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)械鉆孔或激光鉆孔實(shí)現(xiàn) BGA 扇出外層較薄，迫使走線在其目標(biāo)阻抗處更窄電源層將具有更高的層間電容，因?yàn)樗鼘⒎浅＝咏?GND 層
這將用于需要更高密度 BGA 封裝的 RF 組件和數(shù)字處理器的設(shè)計(jì)。我曾將這種類型的疊層與雷達(dá)模塊一起使用，其中外部高頻射頻層具有用于雷達(dá)收發(fā)器的細(xì)間距 BGA，并且需要帶有盲孔的窄共面波導(dǎo)在收發(fā)器引腳和天線或連接器之間布線。 |
規(guī)劃接地以支持布線
| 接地對(duì)于定義 RF 布局中的返回路徑很重要，但最好考慮圍繞走線的行進(jìn)電磁波在電路板上所占用的空間。請(qǐng)注意，在互連上傳播的信號(hào)不會(huì)在導(dǎo)體上顯示為流動(dòng)電流;這是一個(gè)與現(xiàn)實(shí)不符的概念模型。事實(shí)是，電磁場(chǎng)在導(dǎo)體周圍占據(jù)了一些空間，而該空間內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)將取決于互連周圍導(dǎo)體的存在。
然后，走線周圍的磁場(chǎng)導(dǎo)致返回電流顯示為位移電流。這是因?yàn)?，如果我們看一下下面顯示的微帶走線和接地層布置，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)導(dǎo)體被帶到不同的電位，它們被絕緣體（PCB 層壓材料）隔開(kāi)，形成一個(gè)電容器。接地層中的位移電流在接地層終止時(shí)跟隨電場(chǎng)線。 |
為什么這一切對(duì) RF PCB 布局如此重要？原因是，在高頻互連附近放置接地會(huì)限制互連周圍的磁場(chǎng)，并確保返回電流在較高頻率下更接近走線。如果走線附近沒(méi)有接地層，我們就不知道返回電流的確切位置，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的 EMI 發(fā)射和接收。兩點(diǎn)注意：
不要將平面層物理分離或拆分為具有數(shù)字和模擬組件的孤島，并嘗試用電容器將它們捆綁在一起。您將有一個(gè)構(gòu)思不周的返回路徑，從而產(chǎn)生 EMI 問(wèn)題。只需使用單個(gè)平面層并學(xué)習(xí)跟蹤返回路徑。利用平面層來(lái)確保信號(hào)和電源的完整性。這意味著，即使您有一個(gè)只有幾個(gè)元件的簡(jiǎn)單 RF 板，您也至少需要一個(gè) 4 層板來(lái)提供必要的平面層。
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布線 RF 走線
現(xiàn)在是有趣的部分了：RF 路由。所有 RF 路由都需要受控阻抗。這可能需要放置一個(gè)端接網(wǎng)絡(luò)以確保將功率傳輸?shù)浇M件（例如，分頻器或天線）中，或放置一個(gè)濾波器/放大器來(lái)調(diào)整沿互連傳輸?shù)奶囟l率。具有集成 RF 輸出的組件可能具有所需的片上端接，因此在將任何端接組件放置在 RF 互連的驅(qū)動(dòng)器端之前，請(qǐng)務(wù)必檢查這一點(diǎn)。
跟蹤幾何圖形
一旦需要對(duì)關(guān)鍵 RF 走線進(jìn)行布線，您需要確定走線幾何形狀。在 Wifi 頻率和更高頻率下，大多數(shù)組件應(yīng)用說(shuō)明會(huì)建議使用接地共面波導(dǎo)來(lái)路由 RF 走線。但是，作為設(shè)計(jì)人員，您需要權(quán)衡不同跟蹤幾何形狀的優(yōu)缺點(diǎn)。我在下表中總結(jié)了這些內(nèi)容。 |
| 在上述所有幾何結(jié)構(gòu)中，我們通常處理窄帶信號(hào)，而 FR4 層壓板在實(shí)際無(wú)線/射頻信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中的窄帶寬內(nèi)往往具有相當(dāng)?shù)偷纳?。我目前能想到的一個(gè)例外是軟件定義無(wú)線電，它需要與數(shù)字走線相同的方法來(lái)設(shè)計(jì)目標(biāo)阻抗（即寬帶方法）。除了這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域之外，您通?？梢院雎陨?，只要您知道目標(biāo)頻率的 Dk 和損耗角正切值，就可以使用場(chǎng)求解器獲得準(zhǔn)確的阻抗計(jì)算。 |
走線長(zhǎng)度和過(guò)孔的影響
| 我提到了 RF 互連的走線長(zhǎng)度和通孔，因?yàn)樗鼈儗?duì) RF PCB 設(shè)計(jì)中的總損耗和信號(hào)失真有類似的影響，但方式不同。一些設(shè)計(jì)人員會(huì)說(shuō)，您應(yīng)該始終在高頻信號(hào)上使用盡可能短的走線長(zhǎng)度，但他們似乎不太理解為什么這很重要。損耗是一個(gè)因素，但輸入阻抗也是一個(gè)因素，這在端接網(wǎng)絡(luò)和與耦合電容器的互連中尤為重要。
簡(jiǎn)而言之，關(guān)于互連上的走線長(zhǎng)度和過(guò)孔計(jì)數(shù)，需要遵循一系列 RF 布局指南：
RF 電路中元件之間的走線（例如濾波器中的無(wú)源器件）可以充當(dāng)傳輸線，即使走線之間的布線很短。
損耗很重要，但短互連的損耗以回波損耗為主，這是由于兩個(gè)阻抗之間的不匹配造成的。這種失配需要通過(guò)設(shè)計(jì)到精確的阻抗來(lái)解決，通常使用場(chǎng)求解器。如果您設(shè)計(jì)了具有受控阻抗的微帶線，則將其路由為微帶線。不要將微帶布線為共面波導(dǎo)，因?yàn)樵谖е車胖媒拥劁併~和過(guò)孔會(huì)改變其阻抗。在高頻下，通孔可以開(kāi)始像濾波器或諧振器一樣工作，例如在毫米波頻率下的通孔。不要通過(guò)太多的 via 布線，因?yàn)閾p耗會(huì)累積，并且不要在高頻傳輸線上留下長(zhǎng) via stub。遵循高速/高頻 PCB 的其他標(biāo)準(zhǔn)布線指南，以確保您保持阻抗并最大限度地減少損耗/失真。
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芯耀
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