射频和微波设计指南

射频和微波电路现在是电子行业中最常见的 PCB 设计之一，因其能够捕获比普通电路更高的频率而得到认可。以前，除了军事和航空航天工业之外，制造任何东西的成本都太高，射频和微波电路现在已成为广泛的商业和专业产品的组成部分，特别是无线通信设备，如手机、卫星广播和无线网络。然而，更高的频率带来了更多的设计挑战。

为确保这些高频射频和微波电路获得成功，供应商必须考虑多种 PCB 射频和微波设计技术。

射频和微波 PCB 基础知识

描述射频和微波 PCB 的最简单方法是它们包含携带射频或微波信号的组件。这些信号的频率不同，频率的差异定义了射频和微波 PCB 与其他 PCB 类型之间的组件差异。然而，掌握射频和微波频率的基础知识是了解射频PCB设计和微波PCB设计的第一步。

本质上，电子信号是一个随时间变化的量，并传达某种信息。变化的量通常是电压或电流。这些信号在设备之间传递，作为发送和接收信息（如音频、视频或编码数据）的一种方式。虽然这些信号通常通过电线传输，但它们也可以通过射频或射频波在空气中传播。

这些射频波在 3 kHz 和 300 GHz 之间变化，但为了实用起见，它们被细分为更小的类别。这些类别包括：

• 低频信号： 这些是大多数传统模拟组件处理的信号，其中包括频率高达 50 MHz 的信号。

• 射频信号： 虽然射频（RF）信号在技术上涵盖了广泛的信号频率，但电路设计人员在更窄的范围内使用该术语。在该领域内，RF 信号频率的范围通常为 50 MHz 至 1 GHz。这些与 AM/FM 传输中使用的信号频率相同。

• 微波信号： 微波信号的频率高于 1 GHz。这些信号的上限约为 30 GHz。这些微波炉与我们在微波炉中烹饪食物时使用的微波炉相同。它们还用于传输非常高带宽的信号。

上述信号属于模拟信号类别，尽管射频和微波信号明显高于传统 PCB 设计中使用的大多数标准模拟信号。模拟信号本质上不同于数字信号，每个类别都需要不同的组件来处理它们的信号。下面将更详细地描述这些信号：

• 模拟信号： 模拟信号随时间连续变化，当您在图表上查看此信号时，它显示为平滑波。在这一波上，在最大值和最小值的有限范围内，存在无限多的值可能性。大多数电子元件（电阻器、电容器、晶体管等）都使用模拟信号工作，尽管纯模拟电路比数字 PCB 更难设计。这主要是因为它们容易受到噪音和其他问题的影响。标准模拟信号通常介于 DC 和 100 MHz 左右，但它们的频率差异很大。射频信号本质上是模拟信号。

• 数字信号： 与模拟信号不同，数字信号以一组有限的值运行。这个集合中的值的数量可以非常大，但不是无限的。通常会看到这些数字信号以两个值运行，但信号在任何时候只能是这两个值之一。随着时间的推移观察这种类型的信号时，信号变化产生的波是方波，而不是连续波。数字信号可能会尝试复制模拟信号的平滑波，但这些数字波总是由离散的阶跃而不是平滑曲线组成。然而，这些离散信号意味着数字电路比模拟电路更容易设计，尽管它们通常更昂贵。

通常会发现两个信号都在单个电路中运行，其组件旨在将信号从一种形式转换为另一种形式。但是，应仔细设计这些类型的电路，尤其是在模拟组件处理高频信号（如 RF 信号）时。频率越高，出现噪音等问题的可能性就越大。

射频和微波 PCB 设计的常见问题和解决方案

与典型的模拟或数字 PCB 相比，带有射频或微波电路的 PCB 布局往往更难设计。这是因为与射频信号相关的一些更成问题的特性和质量。在设计射频或微波 PCB 时，请牢记以下几点和问题。

PCB 设计基础

首先，RF 和微波 PCB 的设计应尽量减少组装过程中的任何潜在错误。一些最基本的射频布局设计指南包括：

• 保持部件分开： 如果一块电路板有多种类型的部件，如低级模拟、射频和数字组件，它们应该分开放置。这不仅让设计人员更容易管理，而且可以最大限度地减少装配阶段出现灾难性问题的可能性。
• 多层 PCB： 理想情况下，RF 和微波 PCB 应该包括不止一层。顶层应包括功率级以及射频信号线和组件。如果您有多层 PCB，请确保在包含射频或微波信号线的任何层下方都有一个接地层。
• 对噪音的敏感度： RF 和微波 PCB 设计人员必须了解这些高频信号对噪声的敏感程度。虽然大多数设计人员习惯于在高速数字信号中使用这种灵敏度，但他们必须对射频和微波信号更加谨慎，因为它们更加敏感。这些信号也容易受到多种噪声类型的影响。这种极高的灵敏度意味着必须减轻任何可能的信号噪声、反射或振铃。

噪声是一个术语，用于描述不希望的电压变化，它会在电路中产生错误和功能问题。噪声有多种形式，根据频率分布分为以下几类：

• 白噪声： 这是一种在所有频率上均等添加的噪声。
• 粉红噪声： 粉红噪声不会产生平坦的响应，而是随着频率的增加而振荡。
• 频带限制噪声： 这种噪声的频带受到滤波器或它通过的电路的限制。

RF 噪声可能来自多种来源，这些来源也根据类型进行分类。下面介绍了这些以及每种噪声类型的解决方案：

• 热噪声： 也称为约翰逊或约翰逊奈奎斯特噪声，这种噪声是热搅拌的结果。这种热破坏会影响导体中的电荷载流子，超出预期地激发它们，从而产生噪声。此类问题通常可以通过最大限度地减少温度对电路的影响来解决，通常是通过电路周围的冷却系统或电路本身的散热功能来调节温度。
• 散粒噪声： 这种噪声来自电流随时间的波动，这是由电子电荷的离散性质引起的。由于这种噪声是由电流引起的，因此很难消除，尽管金属电阻器往往会尽量减少它们的发生。幸运的是，散粒噪声只在隧道结和势垒二极管等器件中很明显。
• 相位噪声： 这种类型的射频噪声在射频信号上是可见的，它会显着影响系统的性能。这种噪声表现为信号本身内的相位抖动或波动，表现为边带扩散到信号或载波的每一侧。当携带数字信息时，这可能是一种特别有问题的噪声类型，因为相位噪声会降低误码率，从而降低传输数据的质量。更清晰的信号是减少这种噪声的最佳方法，必须在设计过程的早期就考虑到这一点。
• 闪烁噪声： 也称为 1/f 噪声，这种噪声几乎出现在所有电子设备中，通常由直流电流引起。它与信号频率的倒数成正比，但与相位噪声类似。通过专门的滤波器处理信号通常有助于减少此类噪声。
• 雪崩噪声： 这种噪声是由于结型二极管工作得太接近雪崩击穿点而引起的。结果是二极管处产生了大量噪声。消除这种雪崩噪声就像使用基于电容器的滤波器或平滑网络一样简单。

使用适当的带通滤波器可以减轻很多噪声，这些带通滤波器在“感兴趣的频带”中传输信号。只有特定频率范围内的信号才能通过此滤波器，而滤波器会阻止其余信号。但是，这并不能解决频率范围内信号不准确的问题。理想情况下，应通过上述方法之一去除噪声源。

阻抗匹配

阻抗匹配是射频 PCB 的另一个重要要求。虽然高速数字信号在阻抗匹配方面有些容差，但频率越高，容差越小。对于射频和微波信号，这种容差尤为严格。

当您在设计中考虑阻抗匹配时，需要牢记几件事。其中包括：

• 趋肤效应损失： 在更高的频率下，电子将开始沿着导体的外表面流动。这被称为“趋肤效应”。在迹线处，一小块区域用于汇集电子。然而，这个漏斗也捕获了一些在导体外部流动的电子，将它们的信号能量转化为热量。这就是所谓的“皮肤效应损失”。这种损耗最好通过适当的阻抗匹配，甚至在 PCB 上镀金来最小化。

• 尽量减少行长： 传输射频/微波信号的线路越长，信号丢失的可能性就越大。理想情况下，该线应为波长的 1/20。如果它需要长于波长的 1/16（也称为临界信号长度），则需要对线路末端的 L 和 C 分量的线路应用阻抗控制。

回波损耗

回波损耗通常是由信号反射引起的。不幸的是，由于射频和微波信号对信号噪声更敏感，回波损耗是一个更加突出的问题。虽然返回信号通常遵循最小电阻的路径，但较高频率的信号往往会遵循最小电感的路径。这样的路径往往包括原始信号下方的接地层。

为了最大限度地减少回波损耗，接地层应从驱动器到接收器是连续的，否则返回信号可能会通过其他电源层。由于这些替代路径不太理想，它们会通过反射和振铃产生明显的信号噪声，甚至以热量的形式丢失。

串音

串扰是导体之间的无意能量转移，导致耦合信号。这种转移通常是互感和并联电容的结果，并且串扰的发生率往往会随着 PCB 的密度和性能的增加而增加。导体的接近程度、它们平行运行的距离以及有源线的边缘率也起着重要作用。对于高频设计（如射频和微波设计）来说，串扰往往是一个严重的问题，这就是为什么设计人员必须尽其所能防止串扰的原因。

应尽可能减少串扰。幸运的是，有多种方法可以做到这一点。这些方法包括：

• 分离信号： 理想情况下，中心到中心的距离应该是信号走线宽度的四倍左右。

• 尽量减少平行线： 如果线条绝对必须相互平行，请将线条相互平行的距离保持在最短。

• 减小介电间距： 线路与其参考平面之间的电介质间距应尽可能小。

• 引入共面结构： 在走线之间插入接地层。

• 终止线路： 以特性阻抗结束线路可以将串扰减少多达 50%。

层压特性

PCB 层压板的特性会对 RF 或微波 PCB 的功能产生重大影响。例如，FR4 具有比高频层压板更高的损耗因数，这意味着随着信号频率的增加，FR4 层压板会导致更高的插入损耗。此外，FR4 的介电常数或 Dk 值往往比高频层压板的更高且变化更大。 FR4 Dk 值可以变化多达 10%，这反过来又会改变阻抗。

介电损耗是与层压板特性相关的常见问题。与趋肤效应损耗类似，介电损耗发生在电子流经导体并从 FR4 PCB 基板的电子反弹时发生。在这些电子的相互作用过程中，来自流动电子的一些信号能量被传递给 FR4 电子，FR4 电子又将能量转化为热能。这种损耗可以通过使用耗散因数非常低的基板来避免，例如聚四氟乙烯特氟龙，其耗散因数约为 0.001，而 FR4 的耗散因数为 0.02。

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