RF PCB 设计中的挫折和解决方案

RF（射频）PCB（印刷电路板）设计存在许多不确定性，因此被称为“黑色艺术”。一般来说，对于微波以下频率的电路（包括低频和低频数字电路），精心布局是电路设计一次成功的保证，掌握了所有的设计原则。而在微波以上频率和高频PC级数字电路方面，两到三个版本的PCB能够保证电路质量。然而，就高于微波频率的射频电路而言，需要更多版本的 PCB 设计来不断改进。因此，射频电路设计必然会遇到很多困难。

射频电路设计中最常见的问题

• 数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰

当模拟电路（射频电路）和数字电路独立工作时，它们最有可能完美地工作。但是一旦它们混合在同一个电路板上，依赖同一个电源，整个系统可能会变得不稳定，因为数字信号经常在地和正电源之间摆动（> 3V）并且周期很短纳秒级。由于幅度更大、开关时间更短，所有的数字信号都将包含与开关频率无关的高频元素。在模拟部分，从无线电调谐回路到无线电设备接收器的电压通常小于 1μV。因此，无线电调谐回路和射频信号之间的差异可以达到120dB。显然，如果数字信号和射频信号不能很好地分离，微弱的射频信号可能会受到损害。这样一来，无线电设备的工作性能就会变差，甚至不能工作。

• 电源噪声干扰

射频电路对噪声非常敏感，对毛刺电压和其他高频谐波尤其如此。微控制器会在每个内部时钟周期内突然吸收大部分电流，这是因为所有现代微控制器都是采用 CMOS 技术制造的。因此，假设微控制器以 1MHz 的内部时钟频率运行，然后它将以这种频率从电源中提取电流。如果不应用适当的电源去耦，将在电源线上引起电压毛刺。当电压毛刺到达射频电路的电源引脚时，严重时可能导致故障。

• 接地不合理

如果RF电路的GND设置不合理，可能会产生一些奇怪的结果。在数字电路设计方面，即使没有 GND，大多数数字电路功能都可以很好地实现。然而，就射频而言，即使是短的地线也会起到电感器的等效作用。已知 1nH 的电感与 1mm 的长度兼容，据此可以粗略推算出 10mm 长度的 PCB 的感抗应约为 27Ω。如果不使用 GND，大多数地线会很长，以至于电路无法根据设计提供特性。

• 天线对其他模拟电路的辐射干扰

在 PCB 布局设计中，板上还提供其他模拟电路。例如，许多电路都包含模数转换器（ADC）或数模转换器（DAC）。 RF发射器发射的高频信号可能会到达ADC的模拟输入端，因为任何电路线都会像天线一样发射或接收RF信号。如果ADC输入端处理不当，射频信号可能会在ADC输入端的ESD二极管内自激，从而引起ADC偏差。

射频电路设计原理与方案

• RF Layout的定义

在设计射频布局时，首先应遵循以下一般原则：
①大功率放大器（HPA）和低噪声放大器（LNA）应尽可能分开。简而言之，高频射频发射电路远离低频射频接收电路。
②PCB板上的高频区至少要有一个完整的地线，最好不要有通孔放在上面。铜箔面积越大越好。
③去耦对电路和电源具有同等意义。
④射频输出应远离射频输入。
⑤敏感的模拟信号应尽可能远离高速数字信号和射频信号。

• 物理分区和电气分区的设计原则

分区可分为物理分区和电气分区。前者主要关注元件布局、方向和屏蔽，而后者可进一步分为配电、射频布线、敏感电路、信号和接地分区。

一个。物理分区原理

组件布局原则。组件布局在促成性能良好的射频设计方面起着至关重要的作用。最有效的技术是首先固定沿 RF 路径放置的组件并修改它们的方向，以使 RF 路径可以最小化，输入远离输出，并且尽可能分离高功率电路和低功率电路。

PCB层压设计原理。最有效的电路层压方法是将主接地层布置在第一层下方的第二层，并将射频走线布置在第一层。射频路径上的通孔尺寸应尽量减小，这样可以降低路径电感，减少主地冷焊点的数量。此外，更少的射频能量会泄漏到层压内的其他区域。

射频元件和射频跟踪原理。在物理空间内，多级放大器等线性电路能够分离所有射频区域，但双工器、混频器和中频放大器/混频器往往会导致多个射频/中频信号之间的相互干扰。因此，应谨慎地将此类影响降至最低。 RF/IF 走线应交叉，并在它们之间留有地线。正确的射频路径对 PCB 性能非常重要，这就是为什么在手机 PCB 设计中组件布局占大部分时间的原因。

湾。电气分区原理

动力传输原理。大多数手机电路中的 DC 通常都很低，因此无需仔细考虑走线宽度。但是，必须为大功率放大器的电源单独设计一条尽可能宽的大电流走线，以将传输电压降至最低。为避免过多的电流损耗，应采用多个通孔将电流从一个平面传输到另一个平面。

大功率器件的功率去耦。如果大功率放大器的电源引脚不能完全耦合，大功率噪声会辐射到整个电路板，产生很多问题。大功率功放的接地非常重要，其设计通常需要金属屏蔽罩。

RF输入/输出隔离原理。在大多数情况下，保证射频输出远离射频输入同样重要，这也适用于放大器、缓冲器和滤波器。在更坏的情况下，如果放大器和缓冲器的输入以合适的相位和幅度返回到它们的输入端，可能会引起自激振动。在最好的情况下，它们将能够在任何温度和电压下稳定工作。事实上，它们可能会变得不稳定并给射频信号添加噪声和互调信号。

总而言之，射频电路由于其分布参数电路而具有集肤效应和耦合效应，这使其不同于低频电路和直流电路。因此，在射频电路PCB设计中应特别强调上述问题，以使电路设计有效且准确。

有用的资源
• 射频和微波 PCB 设计指南
• 射频电路和电磁兼容性的 PCB 设计
• PCBCart 提供射频 PCB 制造服务