PCB设计中射频RF问题和解决方案

      RF（射频）PCB（印刷电路板）设计有很多不确定因素，因此被描述为“黑色艺术”。一般来说，当涉及频率低于微波的电路（包括低频和低频数字电路）时，精心布局是电路设计首次成功的保证，掌握了所有设计原则。然而，当涉及到微波和高频PC级数字电路的频率时，两到三个版本的PCB能够确保电路质量。然而，就射频电路的频率高于微波而言，需要更多版本的PCB设计来不断改进，因此，在RF电路设计期间肯定会遇到许多困难。

一、射频电路设计中常见的问题
1、数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰
      当模拟电路（RF电路）和数字电路独立工作时，它们有可能完美地工作。但是，只要它们在同一电路板上混合在一起，并依赖相同的电源，整个系统可能会变得不稳定，因为数字信号经常在地电源和正电源之间摆动（> 3V），周期很短纳秒级。由于幅度更大，切换时间更短，所有数字信号都将包含与开关频率无关的高频元件。

      在模拟部分，从无线电调谐环路到无线电设备接收器的电压通常小于1μV，因此，无线电调谐环和RF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整齐地分开，弱RF信号可能会受到损坏。结果，无线电设备的可操作性将变差或甚至无法工作。

2、电源噪声干扰
      射频电路对噪声非常敏感，对于毛刺电压和其他高频谐波尤其如此，微控制器将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，然后它将以这样的频率从电源提取电流，如果不采用合适的电源去耦，电源线上会产生电压干扰。当电压毛刺到达RF电路的电源引脚时，如果严重则可能导致故障。

3、不合理的GND
      如果为RF电路设置了不合理的GND，则可能会产生一些奇怪的结果，在数字电路设计方面，即使GND不可用，大多数数字电路功能都能很好地实现。然而，就RF而言，即使是短的地线也将起到与电感器相同的作用，众所周知，1nH的电感与1mm的长度兼容，基于此可以粗略地判断出长度为10mm的PCB的感抗应约为27Ω，如果不施加GND，大多数地线将会很长，以至于电路无法根据设计提供特性。

4、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，许多电路包含模数转换器（ADC）或数模转换器（DAC）。由RF发送器发送的高频信号可能到达ADC的模拟输入端，因为任何电路线都会像天线一样发送或接收RF信号。如果ADC的输入端不适当处理，RF信号可能会在ADC输入的ESD二极管内自激，从而引起ADC偏差。

二、射频RF电路设计原理与方案
1、RF布局的定义
设计射频布局时，应首先遵循以下一般原则：
①应尽可能分离高功率放大器（HPAs）和低噪声放大器（LNA）。简而言之，高频RF传输电路远离低频RF接收电路。
②在PCB板上的高频区域应至少有一个完整的接地，好不要在其上发生通孔。铜箔面积越大越好。
③电路和电源经过去耦同等重要。
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。

2、物理分区和电气分区的设计原则
      分区可以分为物理分区和电分区，前者主要涉及元件布局，方向和屏蔽，而后者可进一步分为功率分布，RF布线，敏感电路，信号和地面分区。

a、物理分区原则
      元件布局在有助于良好执行的RF设计中起着至关重要的作用。有效的技术是首先修复沿RF路径放置的组件并修改其方向，以便在远离输出的输入和尽可能分离的高功率电路和低功率电路的情况下小化RF路径。

b、PCB层压设计原理
       有效的电路层压方法是将主接地平面布置在平面下方的第二层处并且在平面处布置RF迹线。RF路径上的通孔尺寸应减小到小，这可以减少路径电感并减少主接地上的冷焊点数量。此外，较少的RF能量将泄漏到层压内的其他区域。

c、射频元件和射频跟踪原理。
      在物理空间内，诸如多级放大器的线性电路能够分离所有RF区域，但是双工器，混频器和中频放大器/混频器经常导致多个RF / IF信号之间的相互干扰。因此，应该小心地减少这种影响。应穿过RF / IF走线，并在它们之间留下接地。正确的射频路径对于PCB性能非常重要，这就是为什么元件布局在手机PCB设计中占大部分时间的原因。

d、电气分区原理
      大多数手机电路中的DC通常很低，因此不需要仔细考虑走线宽度。然而，必须为高功率放大器的电源独立设计宽度尽可能宽的大电流迹线，以便将传输电压降至小。为避免过多的电流损失，应使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，如果在大功率放大器的电源引脚处无法实现完全耦合，则会产生很多问题，大功率噪声将辐射到整个电路板。大功率放大器接地非常重要，设计时通常需要金属屏蔽罩。

e、RF输入/输出隔离原理
      对于大多数情况，保证RF输出远离RF输入同样重要，RF输入也适用于放大器，保险杠和滤波器。在更糟糕的情况下，如果放大器和缓冲器的输入以可接受的相位和幅度返回到它们的输入端子，则可能引起自激振动。在好的情况下，它们将能够在任何温度和电压下稳定工作。事实上，它们可能变得不稳定并且向RF信号添加噪声和互调信号。

      总而言之，RF电路由于其分布式参数电路而具有趋肤效应和耦合效应，这使其与低频电路和DC不同，因此，在RF电路PCB设计期间应特别强调上述问题，以便电路设计可以有效和准确。

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