射頻電(diàn)路PCB設計(jì)
随着通(tōng)信技(jì)術(shù)的發展,手持無線射頻電(diàn)路技(jì)術(shù)運用越來(lái)越廣,如:無線尋呼機、手機、無線PDA等,其中的射頻電(diàn)路的性能指标直接影(yǐng)響整個(gè)産品的質量。這些(xiē)掌上(shàng)産品的一個(gè)最大(dà)特點就是小(xiǎo)型化,而小(xiǎo)型化意味着元器(qì)件的密度很(hěn)大(dà),這使得(de)元器(qì)件(包括SMD、SMC、裸片等)的相互幹擾十分突出。電(diàn)磁幹擾信号如果處理(lǐ)不當,可(kě)能造成整個(gè)電(diàn)路系統的無法正常工作(zuò),因此,如何防止和(hé)抑制(zhì)電(diàn)磁幹擾,提高(gāo)電(diàn)磁兼容性,就成為(wèi)設計(jì)射頻電(diàn)路PCB時(shí)的一個(gè)非常重要的課題。同一電(diàn)路,不同的PCB設計(jì)結構,其性能指标會(huì)相差很(hěn)大(dà)。本討(tǎo)論采用Protel99 SE軟件進行(xíng)掌上(shàng)産品的射頻電(diàn)路PCB設計(jì)時(shí),如果最大(dà)限度地實現電(diàn)路的性能指标,以達到電(diàn)磁兼容要求。
1 闆材的選擇
印刷電(diàn)路闆的基材包括有(yǒu)機類與無機類兩大(dà)類。基材中最重要的性能是介電(diàn)常數(shù)εr、耗散因子(或稱介質損耗)tanδ、熱膨脹系數(shù)CET和(hé)吸濕率。其中εr影(yǐng)響電(diàn)路阻抗及信号傳輸速率。對于高(gāo)頻電(diàn)路,介電(diàn)常數(shù)公差是首要考慮的更關鍵因素,應選擇介電(diàn)常數(shù)公差小(xiǎo)的基材。
2 PCB設計(jì)流程
由于Protel99 SE軟件的使用與Protel 98等軟件不同,因此,首先簡要討(tǎo)論采用Protel99 SE軟件進行(xíng)PCB設計(jì)的流程。
①由于Protel99 SE采用的是工程(PROJECT)數(shù)據庫模式管理(lǐ),在Windows 99下是隐含的,所以應先鍵立1個(gè)數(shù)據庫文件用于管理(lǐ)所設計(jì)的電(diàn)路原理(lǐ)圖與PCB版圖。
②原理(lǐ)圖的設計(jì)。為(wèi)了可(kě)以實現網絡連接,在進行(xíng)原理(lǐ)設計(jì)之間(jiān),所用到的元器(qì)件都必須在元器(qì)件庫中存在,否則,應在SCHLIB中做(zuò)出所需的元器(qì)件并存入庫文件中。然後,隻需從元器(qì)件庫中調用所需的元器(qì)件,并根據所設計(jì)的電(diàn)路圖進行(xíng)連接即可(kě)。
③原理(lǐ)圖設計(jì)完成後,可(kě)形成一個(gè)網絡表以備進行(xíng)PCB設計(jì)時(shí)使用。
④PCB的設計(jì)
a.PCB外形及尺寸的确定。根據所設計(jì)的PCB在産品的位置、空(kōng)間(jiān)的大(dà)小(xiǎo)、形狀以及與其它部件的配合來(lái)确定PCB的外形與尺寸。在MECHANICAL LAYER層用PLACE TRACK命令畫(huà)出PCB的外形。
b.根據SMT的要求,在PCB上(shàng)制(zhì)作(zuò)定位孔、視(shì)眼、參考點等。
c.元器(qì)件的制(zhì)作(zuò)。假如需要使用一些(xiē)元器(qì)件庫中不存在的特殊元器(qì)件,則在布局之前需先進行(xíng)元器(qì)件的制(zhì)作(zuò)。在Protel99 SE中制(zhì)作(zuò)元器(qì)件的過程比較簡單,選擇“DESIGN”菜單中的“MAKE LIBRARY”命令後就進入了元器(qì)件制(zhì)作(zuò)窗口,再選擇“TOOL”菜單中的“NEW COMPONENT”命令就可(kě)以進行(xíng)元器(qì)件的設計(jì)。這時(shí)隻需根據實際元器(qì)件的形狀、大(dà)小(xiǎo)等在TOP LAYER層以PLACE PAD等命令在一定的位置畫(huà)出相應的焊盤并編輯成所需的焊盤(包括焊盤形狀、大(dà)小(xiǎo)、內(nèi)徑尺寸及角度等,另外還(hái)應标出焊盤相應的引腳名),然後以PLACE TRACK命令在TOP OVERLAYER層中畫(huà)出元器(qì)件的最大(dà)外形,取一個(gè)元器(qì)件名存入元器(qì)件庫中即可(kě)。
d.元器(qì)件制(zhì)作(zuò)完成後,進行(xíng)布局及布線,這兩部分在下面具體(tǐ)進行(xíng)討(tǎo)論。
e.以上(shàng)過程完成後必須進行(xíng)檢查。這一方面包括電(diàn)路原理(lǐ)的檢查,另一方面還(hái)必須檢查相互間(jiān)的匹配及裝配問題。電(diàn)路原理(lǐ)的檢查可(kě)以人(rén)工檢查,也可(kě)以采用網絡自動檢查(原理(lǐ)圖形成的網絡與PCB形成的網絡進行(xíng)比較即可(kě))。
f.檢查無誤後,對文件進行(xíng)存檔、輸出。在Protel99 SE中必須使用“FILE”選項中的“EXPORT”命令,把文件存放到指定的路徑與文件中(“IMPORT”命令則是把某一文件調入到Protel99 SE中)。注:在Protel99 SE中“FILE”選項中的“SAVE COPY AS…”命令執行(xíng)後,所選取的文件名在Windows 98中是不可(kě)見的,所以在資源管理(lǐ)器(qì)中是看不到該文件的。這與Protel 98中的“SAVE AS…”功能不完全一樣。
3 元器(qì)件的布局
由于SMT一般采用紅外爐熱流焊來(lái)實現元器(qì)件的焊接,因而元器(qì)件的布局影(yǐng)響到焊點的質量,進而影(yǐng)響到産品的成品率。而對于射頻電(diàn)路PCB設計(jì)而言,電(diàn)磁兼容性要求每個(gè)電(diàn)路模塊盡量不産生(shēng)電(diàn)磁輻射,并且具有(yǒu)一定的抗電(diàn)磁幹擾能力,因此,元器(qì)件的布局還(hái)直接影(yǐng)響到電(diàn)路本身的幹擾及抗幹擾能力,這也直接關系到所設計(jì)電(diàn)路的性能。因此,在進行(xíng)射頻電(diàn)路PCB設計(jì)時(shí)除了要考慮普通(tōng)PCB設計(jì)時(shí)的布局外,主要還(hái)須考慮如何減小(xiǎo)射頻電(diàn)路中各部分之間(jiān)相互幹擾、如何減小(xiǎo)電(diàn)路本身對其它電(diàn)路的幹擾以及電(diàn)路本身的抗幹擾能力。根據經驗,對于射頻電(diàn)路效果的好壞不僅取決于射頻電(diàn)路闆本身的性能指标,很(hěn)大(dà)部分還(hái)取決于與CPU處理(lǐ)闆間(jiān)的相互影(yǐng)響,因此,在進行(xíng)PCB設計(jì)時(shí),合理(lǐ)布局顯得(de)尤為(wèi)重要。
布局總原則:元器(qì)件應盡可(kě)能同一方向排列,通(tōng)過選擇PCB進入熔錫系統的方向來(lái)減少(shǎo)甚至避免焊接不良的現象;根據經驗元器(qì)件間(jiān)最少(shǎo)要有(yǒu)0.5mm的間(jiān)距才能滿足元器(qì)件的熔錫要求,若PCB闆的空(kōng)間(jiān)允許,元器(qì)件的間(jiān)距應盡可(kě)能寬。對于雙面闆一般應設計(jì)一面為(wèi)SMD及SMC元件,另一面則為(wèi)分立元件。
布局中應注意:
*首先确定與其它PCB闆或系統的接口元器(qì)件在PCB闆上(shàng)的位置,必須注意接口元器(qì)件間(jiān)的配合問題(如元器(qì)件的方向等)。
*因為(wèi)掌上(shàng)用品的體(tǐ)積都很(hěn)小(xiǎo),元器(qì)件間(jiān)排列很(hěn)緊湊,因此對于體(tǐ)積較大(dà)的元器(qì)件,必須優先考慮,确定出相應位置,并考慮相互間(jiān)的配合問題。
*認真分析電(diàn)路結構,對電(diàn)路進行(xíng)分塊處理(lǐ)(如高(gāo)頻放大(dà)電(diàn)路、混頻電(diàn)路及解調電(diàn)路等),盡可(kě)能将強電(diàn)信号和(hé)弱電(diàn)信号分開(kāi),将數(shù)字信号電(diàn)路和(hé)模拟信号電(diàn)路分開(kāi),完成同一功能的電(diàn)路應盡量安排在一定的範圍之內(nèi),從而減小(xiǎo)信号環路面積;各部分電(diàn)路的濾波網絡必須就近連接,這樣不僅可(kě)以減小(xiǎo)輻射,而且可(kě)以減少(shǎo)被幹擾的幾率,根據電(diàn)路的抗幹擾能力。
*根據單元電(diàn)路在使用中對電(diàn)磁兼容性敏感程度不同進行(xíng)分組。對于電(diàn)路中易受幹擾部分的元器(qì)件在布局時(shí)還(hái)應盡量避開(kāi)幹擾源(比如來(lái)自數(shù)據處理(lǐ)闆上(shàng)CPU的幹擾等)。
4 布線
在基本完成元器(qì)件的布局後,就可(kě)開(kāi)始布線了。布線的基本原則為(wèi):在組裝密度許可(kě)情況下後,盡量選用低(dī)密度布線設計(jì),并且信号走線盡量粗細一緻,有(yǒu)利于阻抗匹配。
對于射頻電(diàn)路,信号線的走向、寬度、線間(jiān)距的不合理(lǐ)設計(jì),可(kě)能造成信号信号傳輸線之間(jiān)的交叉幹擾;另外,系統電(diàn)源自身還(hái)存在噪聲幹擾,所以在設計(jì)射頻電(diàn)路PCB時(shí)一定要綜合考慮,合理(lǐ)布線。
布線時(shí),所有(yǒu)走線應遠離PCB闆的邊框(2mm左右),以免PCB闆制(zhì)作(zuò)時(shí)造成斷線或有(yǒu)斷線的隐患。電(diàn)源線要盡中能寬,以減少(shǎo)環路電(diàn)阻,同時(shí),使電(diàn)源線、地線的走向和(hé)數(shù)據傳遞的方向一緻,以提高(gāo)抗幹擾能力;所布信号線應盡可(kě)能短(duǎn),并盡量減少(shǎo)過孔數(shù)目;各元器(qì)件間(jiān)的連線越短(duǎn)越好,以減少(shǎo)分布參數(shù)和(hé)相互間(jiān)的電(diàn)磁幹擾;對于不相容的信号線應量相互遠離,而且盡量避免平行(xíng)走線,而在正向兩面的信号線應用互垂直;布線時(shí)在需要拐角的地址方應以135°角為(wèi)宜,避免拐直角。
布線時(shí)與焊盤直接相連的線條不宜太寬,走線應盡量離開(kāi)不相連的元器(qì)件,以免短(duǎn)路;過孔不腚畫(huà)在元器(qì)件上(shàng),且應盡量遠離不相連的元器(qì)件,以免在生(shēng)産中出現虛焊、連焊、短(duǎn)路等現象。
在射頻電(diàn)路PCB設計(jì)中,電(diàn)源線和(hé)地線的正确布線顯得(de)尤其重要,合理(lǐ)的設計(jì)是克服電(diàn)磁幹擾的最重要的手段。PCB上(shàng)相當多(duō)的幹擾源是通(tōng)過電(diàn)源和(hé)地線産生(shēng)的,其中地線引起的噪聲幹擾最大(dà)。
地線容易形成電(diàn)磁幹擾的主要原因于地線存在阻抗。當有(yǒu)電(diàn)流流過地線時(shí),就會(huì)在地線上(shàng)産生(shēng)電(diàn)壓,從而産生(shēng)地線環路電(diàn)流,形成地線的環路幹擾。當多(duō)個(gè)電(diàn)路共用一段地線時(shí),就會(huì)形成公共阻抗耦合,從而産生(shēng)所謂的地線噪聲。因此,在對射頻電(diàn)路PCB的地線進行(xíng)布線時(shí)應該做(zuò)到:
*首先,對電(diàn)路進行(xíng)分塊處理(lǐ),射頻電(diàn)路基本上(shàng)可(kě)分成高(gāo)頻放大(dà)、混頻、解調、本振等部分,要為(wèi)各個(gè)電(diàn)路模塊提供一個(gè)公共電(diàn)位參考點即各模塊電(diàn)路各自的地線,這樣信号就可(kě)以在不同的電(diàn)路模塊之間(jiān)傳輸。然後,彙總于射頻電(diàn)路PCB接入地線的地方,即彙總于總地線。由于隻存在一個(gè)參考點,因此沒有(yǒu)公共阻抗耦合存在,從而也就沒有(yǒu)相互幹擾問題。
*數(shù)字區(qū)與模拟區(qū)盡可(kě)能地線進行(xíng)隔離,并且數(shù)字地與模拟地要分離,最後接于電(diàn)源地。
*在各部分電(diàn)路內(nèi)部的地線也要注意單點接地原則,盡量減小(xiǎo)信号環路面積,并與相應的濾波電(diàn)路的地址就近相接。
*在空(kōng)間(jiān)允許的情況下,各模塊之間(jiān)最好能以地線進行(xíng)隔離,防止相互之間(jiān)的信号耦合效應。
5 結論
射頻電(diàn)路PCB設計(jì)的關鍵在于如何減少(shǎo)輻射能力以及如何提高(gāo)抗幹擾能力,合理(lǐ)的布局與布線是設計(jì)射頻電(diàn)路PCB的保證。文中所述方法有(yǒu)利于提高(gāo)射頻電(diàn)路PCB設計(jì)的可(kě)靠性,解決好電(diàn)磁幹擾問題,進而達到電(diàn)磁兼容的目的。