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PCB部落格 - 手機射頻電路板佈局與佈線經驗總結

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手機射頻電路板佈局與佈線經驗總結

2022-01-19
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Author:pcb

射頻(RF)電路板設計由於其理論上的不確定性而經常被描述為“黑藝術”,但這種觀點只是部分正確的,並且有許多RF pcb板設計指南可以也不應該遵循被忽視的規則。 然而,當涉及到實際設計時,真正的訣竅是當由於各種設計約束而無法準確實施這些準則和法律時,如何妥協。


當然,有許多重要的射頻設計主題值得討論,包括阻抗和阻抗匹配、絕緣層資料和層壓板、波長和駐波,囙此這些都對手機的EMC和EMI有很大影響。


總結了設計射頻佈局時必須滿足的條件:

1.高功率射頻放大器(HPA)和低雜訊放大器(LNA)應分開

為了盡可能地隔離高功率RF放大器(HPA)和低雜訊放大器(LNA),只需將高功率RF發射電路與低功率RF接收電路分開即可。 手機有很多功能和組件,但PCB板空間很小,而且考慮到佈線設計過程的限制,所有這些都需要相對較高的設計技能。 這時,可能需要設計一個四層到六層的PCB板,讓它們交替工作,而不是同時工作。 高功率電路有時還可以包括RF緩衝器和壓控振盪器(VCO)。 確保在沒有過孔的PCB上的高功率區域至少有一個完整的接地。 當然,銅越多越好。 敏感的類比信號應盡可能遠離高速數位和RF訊號。


2.物理分區、電力分區設計分區可以分為物理分區和電力分區。 物理分區主要涉及組件放置、方向和遮罩等問題; 電力分區可以繼續分解為用於配電、RF跡線、敏感電路和訊號以及接地的分區。


我們討論物理分區。 電子元件的放置是實現射頻設計的關鍵。 一種有效的科技是首先固定位於射頻路徑上的組件,並調整它們的方向,以最小化射頻路徑的長度,使輸入遠離輸出,並盡可能地分離組件。 功率電路和低功率電路。 一種有效的板堆疊方法是將主接地平面(主接地)佈置在表面層下方的第二層上,並盡可能多地在表面層上運行RF線。 减小RF路徑上的過孔尺寸不僅降低了路徑電感,而且還减少了主接地上的重影焊點,並减少了RF能量洩漏到堆疊內其他區域的機會。 在物理空間中,像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個RF區域彼此隔離,但雙工器、混頻器和IF放大器/混頻器總是具有多個RF/IF。訊號相互干擾,囙此必須小心將這種影響降至最低。


RF和IF跡線應盡可能交叉,並且它們之間應盡可能間隔接地。 正確的射頻路徑對整個PCB的效能非常重要,這就是為什麼在手機PCB設計中,元件放置通常佔據大部分時間的原因。 在手機PCB板的設計中,通常可以將低雜訊放大器電路放在PCB板的一側,將高功率放大器放在另一側,最後通過雙工器連接到同一側的射頻端和基帶處理。 在設備的天線上。 需要一些技巧來確保直通過孔不會將射頻能量從電路板的一側轉移到另一側,常見的科技是在兩側使用盲過孔。 直通過孔的有害影響可以通過將直通過孔佈置在PCB板兩側都沒有RF干擾的區域來最小化。 有時不可能確保多個電路塊之間的充分隔離,在這種情況下,有必要考慮使用金屬遮罩來遮罩RF區域中的RF能量。 金屬護罩必須焊接在地上,並且必須遠離部件。 適當的距離,從而佔用寶貴的PCB板空間。


盡可能確保遮罩罩的完整性是非常重要的。 進入金屬遮罩罩的數位信號線應盡可能走向內層,佈線層下方的PCB板為接地層。 RF訊號線可以從金屬遮罩底部的小間隙和接地間隙處的佈線層引出,但應在間隙周圍分佈盡可能多的接地,不同層上的接地可以通過多個過孔連接在一起。


適當有效的晶片功率去耦也非常重要。 許多具有集成線性線路的RF晶片對來自電源的雜訊非常敏感,通常每個晶片需要多達四個電容器和一個隔離電感器,以確保濾除所有電源雜訊。 集成電路或放大器通常具有開漏輸出,囙此需要上拉電感器來提供高阻抗RF負載和低阻抗DC電源。 同樣的原理也適用於在該電感器側對電源進行去耦。 有些晶片需要多個電源才能工作,囙此您可能需要兩到三組電容器和電感器來分別將它們解耦,電感器很少並聯在一起,因為這會產生空心變壓器,並對彼此的訊號產生干擾,囙此它們之間的距離應至少為其中一個設備的高度,或者它們應以直角排列以减少互感。


電分區的原理通常與物理分區相同,但還涉及一些其他因素。 手機的某些部件在不同的電壓下工作,並由軟件控制,以延長電池壽命。 這意味著手機需要在多個電源上運行,這會帶來更多的隔離問題。 電源通常在連接器處引入,並在通過一組開關或電壓調節器分配之前立即解耦,以過濾掉板外的任何譟音。 行动电话PCB上的大多數電路都有相當小的直流電流,囙此跡線寬度通常不是問題,然而,必須為大功率放大器的電源運行盡可能寬的單獨高電流跡線,以最大限度地减少傳輸電壓降。 為了避免過多的電流損失,需要多個過孔將電流從一層傳遞到另一層。 此外,如果高功率放大器在其電源引脚處沒有充分去耦,則高功率雜訊將輻射到整個板上並引起各種問題。 高功率放大器的接地是至關重要的,並且通常需要金屬遮罩。 在大多數情况下,確保RF輸出遠離RF輸入也是至關重要的。 這也適用於放大器、緩衝器和濾波器。


在最壞的情况下,如果放大器和緩衝器的輸出以適當的相位和振幅迴響到輸入端,它們就有可能自激振盪。 在任何情况下,它們都將在任何溫度和電壓條件下穩定工作。 事實上,它們可能變得不穩定,並將雜訊和互調訊號添加到RF訊號中。 如果RF訊號線必須從濾波器的輸入端環回到輸出端,這可能會嚴重損壞濾波器的帶通特性。 為了在輸入和輸出之間獲得良好的隔離,首先,必須在濾波器周圍放置接地,其次,應在濾波器的下部區域放置接地並連接到濾波器周圍的主接地。 將需要穿過濾波器的訊號線盡可能遠離濾波器引脚也是一個好主意。 此外,要小心板上各處的接地,否則會引入耦合通道。 有時可以選擇單端或平衡的RF訊號線,關於交叉干擾和EMC/EMI的相同原理也適用於此。 如果正確佈線,平衡的RF訊號線可以减少雜訊和交叉干擾,但它們的阻抗通常很高,並且應該保持合理的線寬,以獲得與源、跡線和負載匹配的阻抗。


實際佈線可能會有一些困難。 緩衝器可以用來提高隔離性,因為它可以將相同的訊號分成兩部分,並使用它來驅動不同的電路,特別是當LO可能需要緩衝器來驅動多個混頻器時。 當混頻器在射頻頻率下達到共模隔離時,它將無法正常工作。 緩衝器能够很好地隔離不同頻率下的阻抗變化,從而使電路不會相互干擾。 緩衝器在設計中有很大的幫助,它們可以放在需要驅動的電路後面,這樣高功率輸出跡線就很短,因為緩衝器的輸入信號電平相對較低,所以它們不容易受到板上其他電路的影響。 電路造成干擾。


壓控振盪器(VCO)將不斷變化的電壓轉換為不斷變化的頻率,這是用於高速通道切換的一種功能,但它們也將控制電壓上的少量雜訊轉換為微小的頻率變化,從而使RF訊號新增雜訊。


為了確保不添加雜訊,必須考慮以下方面:首先,控制線的所需頻寬可能在DC到2MHz之間,在如此寬的頻帶內進行濾波以去除雜訊幾乎是不可能的; 第二,VCO控制線通常是控制頻率的迴響回路的一部分,這在許多情况下都是如此。雜訊可能無處不在,囙此必須非常小心地處理VCO控制線路。 確保RF跡線下方的接地是實心的,並且所有組件都牢固地連接到主接地,並與可能引入雜訊的其他跡線隔離。 此外,請確保VCO的電源充分去耦,因為VCO的RF輸出往往是相對較高的電平,VCO輸出信號很容易與其他電路干擾,囙此必須特別注意VCO。


事實上,VCO通常被放置在RF區域的末端,有時它需要金屬遮罩。 諧振電路(一個用於發射器,另一個用於接收器)與VCO有關,但也有其自身的特性。 簡單地說,諧振電路是一種帶有電容二極體的並聯諧振電路,它有助於設定VCO的工作頻率並將語音或數據調製到RF訊號上。 所有VCO設計原則同樣適用於諧振電路。 諧振電路通常對雜訊非常敏感,因為它們的組件數量可觀,在板上分佈廣泛,並且通常在非常高的RF頻率下工作。 訊號通常佈置在晶片的相鄰引脚上,但這些訊號引脚需要與相對較大的電感器和電容器一起工作,這反過來又要求這些電感器與電容器緊密地放置在一起,並連接回雜訊敏感控制回路上。 要做到這一點並不容易。 自動增益控制(AGC)放大器也是一個容易出現問題的地方,並且在發送和接收電路中都將存在AGC放大器。


AGC放大器通常能有效地濾除雜訊,但由於行动电话能够處理發送和接收信號強度的快速變化,AGC電路需要具有相當寬的頻寬,這使得在一些關鍵電路雜訊上引入AGC放大器變得容易。 在設計AGC線路時,必須遵循良好的類比電路設計科技,這與非常短的運算放大器輸入引脚和非常短的迴響路徑有關,這兩者都必須遠離RF、IF或高速數位信號跡線。

此外,良好的接地也是必不可少的,晶片的電源必須很好地去耦。 如果你必須在輸入或輸出端接一根長電線,那就在輸出端,它的阻抗通常要低得多,也不太容易產生電感雜訊。 通常,信號電平越高,就越容易將雜訊引入其他電路。 在所有的PCB設計中,盡可能地使數位電路遠離類比電路是一個通用原則,這也適用於RF PCB設計。 常見的類比接地通常與用於遮罩和隔離訊號線的接地一樣重要,囙此在設計的早期階段,仔細規劃、周到的組件放置和徹底的放置*估計都很重要。 同樣,射頻應該是線路應該遠離類比線路和一些非常關鍵的數位信號。 所有射頻跡線、焊盤和組件應盡可能填充接地銅,並盡可能連接到主接地。 如果RF跡線必須穿過訊號線,請嘗試沿著它們之間的RF跡線佈線一層連接到主接地的接地。 如果不可能,請確保它們縱橫交錯,以最大限度地减少電容耦合,並在每個RF跡線周圍盡可能多地接地,然後將它們連接到主接地。 此外,减小平行RF跡線之間的距離可以减少電感耦合。 一個堅固的單片接地平面直接放置在表面層的下麵,具有隔離效果,儘管經過一點精心設計,其他做法也適用。在PCB板的每一層上,鋪設盡可能多的接地,並將其連接到主接地。 將跡線盡可能靠近放置,以新增內部訊號和配電層上的焊盤數量,並調整跡線,以便可以將接地連接過孔佈線到表面上的隔離焊盤。 應避免PCB各層的自由接地,因為它們會像小型天線一樣拾取或注入雜訊。 在大多數情况下,如果無法將它們連接到主接地,則可以將它們移除。


PCB板


3.在手機PCB板的設計中,應注意幾個方面電源和地線的處理即使整個PCB板中的佈線都完成得很好,但由於電源和地線沒有經過深思熟慮而造成的干擾會降低產品的效能,有時甚至會影響產品的成功率。 囙此,應認真對待電源和地線的接線,儘量減少電源和地線產生的雜訊干擾,以確保產品品質。 對於每一位從事電子產品設計的工程師來說,地線和電源線之間產生雜訊的原因都已瞭解,現在只表達减少的雜訊抑制:(1)眾所周知,在電源和地線之間新增了去耦電容器。 (2)儘量加寬電源和地線的寬度。 接地線比電源線寬。 0.05ï½0.07mm,電源線為1.2ï½2.5mm。 對於數位電路的PCB板,可以使用寬的接地線形成回路,即可以使用接地網(類比電路的接地不能這樣使用)(3)使用大面積的銅層作為接地線,並將印刷板上未使用的地方連接到地上作為接地線。 或者做成多層板,電源、地線各占一層。


數位電路和類比電路的通用接地處理現在有許多PCB板不再是單個功能電路(數位或類比電路),而是由數位和類比電路混合組成。 囙此,在佈線時有必要考慮它們之間的相互干擾,尤其是對地線的雜訊干擾。 數位電路的頻率高,類比電路的靈敏度强。 對於訊號線,高頻訊號線應盡可能遠離敏感的類比電路設備。 對於地線,整個PCB板與外界只有一個節點。 囙此,數位和類比公共接地的問題必須在PCB板內部處理,而數位接地和類比接地實際上在板內部是分開的,它們並不相互連接,只在PCB板與外部世界的介面處(如插頭)。 等待 數位接地對類比接地有點短路,注意只有一個連接點。 PCB板上也有不同的接地,這取決於系統設計。


訊號線路由在電力(接地)層在多層印刷板的佈線中,由於訊號線層中剩下的線路不多,新增更多的層會造成浪費,新增生產工作量,成本也會相應新增。 為了解决這一衝突,我們可以考慮在電力(接地)層佈線。 應首先考慮電源平面,然後考慮接地平面。 因為地層的完整性得到了保護。


大面積導體中連接腿的處理在大面積接地(電)中,常用部件的腿與之相連,需要綜合考慮連接腿的操作。 零部件的焊接和組裝存在一些隱患,如:1。 焊接需要大功率加熱器。 2.容易產生虛焊。 囙此,考慮到電力效能和工藝需要,製作了一種十字形襯墊,稱為隔熱板,俗稱熱襯墊。 性生活大大减少了。 多層板的電力(接地)支路採用相同的管道處理。


網路系統在佈線中的作用在許多CAD系統中,佈線是由網路系統决定的。 如果網格太密集,儘管新增了通道數量,但步長太小,影像領域的數據量太大,這必然對設備的存儲空間有更高的要求,也會影響電腦電子產品的計算速度。 影響巨大。 有些過孔是無效的,例如被元件腿的焊盤佔據的過孔或被安裝孔和固定孔佔據的過孔都是無效的。 過於稀疏的網格和過少的通道對分佈速率有很大影響。 囙此,必須有一個密度合理的網格系統來支撐佈線。標準元件的引脚之間的距離為0.1英寸(2.54mm),囙此網格系統的基礎通常設定為0.1英寸或小於0.1英寸的整數倍,例如:0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。4.高頻PCB板的設計技巧和方法在傳輸線的拐角處使用45°角來减少回波損耗


應採用絕緣常數值嚴格按等級控制的高性能絕緣電路板。 這種方法便於對絕緣材料和相鄰佈線之間的電磁場進行有效管理。


為了實現高精度蝕刻,有必要改進PCB板的設計規範。 考慮線上寬上指定+/-0.0007英寸的總誤差,管理佈線形狀的底切和橫截面,並指定佈線側壁電鍍條件。 佈線(導體)幾何形狀和塗層表面的全面管理對於解决與微波頻率相關的趨膚效應問題和實現這些規範非常重要。


突出的引線上有抽頭電感,囙此避免使用帶引線的元件。 對於高頻環境,請使用表面安裝組件。


對於訊號過孔,避免在敏感板上使用過孔處理(pth)工藝,因為該工藝將導致過孔處的引線電感。


提供豐富的地平面。 模制過孔用於連接這些接地平面,以防止3D電磁場對板的影響。


要選擇化學鍍鎳或浸金工藝,不要使用HASL方法進行電鍍。 這種鍍層表面為高頻電流提供了更好的趨膚效果(圖2)。 此外,這種高度可焊接的塗層需要更少的鉛,有助於减少環境污染。


阻焊膜可防止焊膏流動。 然而,由於厚度的不確定性和未知的絕緣特性,用焊料掩模資料覆蓋整個板表面將導致微帶設計中的電磁能量的巨大變化。 焊料壩通常用作焊料掩模。 電磁場。 在這種情況下,我們管理微帶和同軸電纜之間的轉換。 在同軸電纜中,接地平面交織成環形並均勻分佈。 在微帶中,接地平面位於有源線下方。 這引入了在設計時需要理解、預測和考慮的某些邊緣效應。 當然,這種失配也會導致回波損耗,必須降低回波損耗以避免雜訊和訊號干擾。5電磁相容性設計電磁相容性是指電子設備在各種電磁環境中和諧有效地工作的能力。 電磁相容性設計的目的是使電子設備能够抑制各種外部干擾,使電子設備在特定的電磁環境中正常工作,同時减少電子設備本身對其他電子設備的電磁干擾。


選擇合理的導線寬度由於瞬態電流對印刷導線產生的脈衝干擾主要是由印刷導線的電感成分引起的,囙此應將印刷導線的感應係數降至最低。 印刷導線的電感與其長度成正比,與寬度成反比,囙此短而精確的導線有利於抑制干擾。 時鐘跡線、行驅動器或匯流排驅動器的訊號線通常攜帶大的瞬態電流,並且跡線應保持盡可能短。 對於分立元件電路,當印製導線的寬度約為1.5mm時,可以完全滿足要求; 對於集成電路,印刷導線的寬度可以在0.2和1.0mm之間選擇。


採用正確的佈線策略使用相等的佈線可以降低導線電感,但導線之間的互感和分佈電容會新增。 如果佈局允許,請使用網格形網狀佈線結構。 具體方法是在印刷板的一側水准佈線,在另一側垂直佈線。 交叉孔通過金屬化孔連接。


為了抑制印製板導體之間的串擾,在設計佈線時應盡可能避免長距離和相等的佈線,並且線之間的距離應盡可能寬,訊號線、地線和電源線應盡可能不交叉。 在一些對干擾非常敏感的訊號線之間設定接地跡線可以有效地抑制串擾。


為了避免高頻訊號通過印刷線路時產生電磁輻射,在佈線印刷電路板時還應注意以下幾點:(1)最大限度地减少印刷導線的不連續性,例如,導線的寬度不應突然改變,導線的角部應大於90度,禁止環形佈線。 (2)時鐘訊號的引線容易受到電磁輻射干擾。 導線應靠近接地回路,驅動器應靠近接頭。 (3)公共汽車司機應該靠近它想要駕駛的公共汽車。 對於那些離開印刷電路板的導線,驅動器應緊挨著連接器。 (4)數据總線的佈線應在每兩根訊號線之間夾一根訊號地線。 接地回路被放置在不重要的地址引線旁邊,因為後者通常攜帶高頻電流。 (5)在印刷板上佈置高速、中速和低速邏輯電路時。


抑制反射干擾為了抑制印刷線路末端出現的反射干擾,除特殊需要外,應盡可能縮短印刷線路的長度,並使用慢速電路。 如有必要,可以新增端子匹配,即在傳輸線的末端新增一個電阻值相同的匹配電阻器,以接地和供電端。 根據經驗,對於一般較快的TTL電路,當印刷線路長度超過10cm時,應採取端子匹配措施。 匹配電阻器的電阻值應根據集成電路的輸出驅動電流和吸收電流值確定。6.在電路板設計過程中使用差分訊號線佈線策略。佈線非常接近的差分訊號對也緊密耦合。 這種相互耦合减少了EMI發射。 通常(除某些例外)差分訊號也是高速訊號,囙此通常適用高速設計規則。 對於差分訊號的佈線尤其如此,尤其是在為傳輸線設計訊號線時。 這意味著我們必須非常仔細地設計訊號線的佈線,以確保訊號線的特性阻抗在整個訊號線中是連續和恒定的。


在差分對的佈局和佈線過程中,我們希望差分對中的兩條PCB板線路完全相同。 這意味著,在實踐中,應盡一切努力確保差分對中的PCB跡線具有完全相同的阻抗,並且跡線具有相同的長度。 差分射頻電路板跡線通常總是成對佈線,並且它們之間的距離沿著對的方向在任何地方保持不變。