射频電(diàn)源设计和布局指南

2021-09-01

射频電(diàn)源设计和布局指南

電(diàn)源设计可(kě)能(néng)比简单地将直流電(diàn)源線(xiàn)连接到您的组件要复杂得多(duō)。RF 電(diàn)源设计需要特别小(xiǎo)心，以确保它们能(néng)够正常工作，而不会在系统各部分(fēn)之间传输过多(duō)的噪声，由于所涉及的高功率水平，这变得更加困难。除了仔细布局之外，还需要设计電(diàn)路，以便系统為(wèi)系统的每个子部分(fēn)提供高效的電(diàn)源转换和传输。

超高功率系统仍采用(yòng)分(fēn)立组件设计，这些组件可(kě)能(néng)连接在大型外壳或机柜中，但较小(xiǎo)的電(diàn)源系统可(kě)以放置在带有(yǒu)一些较新(xīn)组件和電(diàn)源调节策略的 PCB 上。这些系统中的挑战分(fēn)為(wèi)两个主要领域：

FET 和放大器中的热量产生，这促使使用(yòng)先进的半导體(tǐ)（如GaN on SiC）进行射频放大

寄生效应可(kě)能(néng)会导致高功率沿供電(diàn)線(xiàn)泄漏到附近的電(diàn)路中，这需要仔细放置和布線(xiàn)

当為(wèi)電(diàn)源電(diàn)路选择组件并将其放入原理(lǐ)图时，第一点发生在前端。上面的第二点是布局和布線(xiàn)变得更加重要的地方。我们将在本文(wén)中对这两个领域进行一些介绍，以便新(xīn)的 RF 设计人员可(kě)以在布線(xiàn)之前完成堆叠和布局。

开始您的射频電(diàn)源设计

从電(diàn)路设计的角度来看，RF 電(diàn)源需要一些与用(yòng)于 DC 系统的任何其他(tā)電(diàn)源相同的调节和过滤级。RF 電(diàn)源的主要作用(yòng)是以感兴趣的频率向 RF 系统供電(diàn)，其中包括用(yòng)于生成和调节 RF 信号的标准组件（振荡器、有(yǒu)源滤波器、放大器等）。電(diàn)源还需要能(néng)够响应调制。除了适应调制之外，RF 電(diàn)源设计还应具有(yǒu)与典型 RF 電(diàn)路板相同的一些要求，即高频下的低损耗，以及足够高的额定温度和热性能(néng)。

下面的框图从高层次上展示了如何在高频下产生 RF 功率。

带有(yǒu)射频放大器的射频電(diàn)源拓扑。

RF 電(diàn)源也反向工作，它们接收 RF 信号并将其整流為(wèi)直流電(diàn)压。这需要构建一个 RF 整流器電(diàn)路，我们不会在本文(wén)中详细介绍它，因為(wèi)它可(kě)能(néng)会涉及很(hěn)多(duō)。相反，我们将专注于 RF 采購(gòu)方面。

调节器和过滤

需要以高频率（即高 MHz 或 GHz）供電(diàn)的 RF 電(diàn)源通常由分(fēn)立元件构成。但是，您可(kě)以将上述所有(yǒu)部分(fēn)放在同一块板上。第一步是调节器选择和滤波器设计。在上面的框图中，需要构建高阶滤波器和开关稳压器以遵循任何调制信号的包络（对于 AM 输出），或在基带频率（对于 FM 输出）调制其输出。这可(kě)能(néng)需要您的设计采用(yòng)多(duō)相、多(duō)级拓扑

在选择任何下游稳压器（可(kě)能(néng)是开关或 LDO）时，请注意效率。如果您使用(yòng)的是 LDO，電(diàn)压差不应太高，因為(wèi)这会降低 LDO 上的大量功率，并且组件的高热阻会导致其迅速升温至高于其额定温度。在我公司最近制造的一个原型中，我们选择了通过外壳进行传导冷却的 LDO。如果需要大幅降低電(diàn)压，则应使用(yòng)开关稳压器并应用(yòng)另一个更高阶的滤波器，以确保為(wèi) VDD 端口、VGG 端口和振荡器提供低噪声。

如何处理(lǐ)地面

就像任何其他(tā)混合信号设计一样，不要尝试通过在分(fēn)离接地上布線(xiàn)来将您的开关稳压器输出（如果您正在使用(yòng)）与 RF 部分(fēn)进行電(diàn)流隔离。您将产生与单端数字信号通过接地层的间隙时所看到的相同类型的 EMI 问题。这是混合信号系统中的常见错误，假设开关稳压器的输出是纯直流，很(hěn)容易在 RF 系统中犯同样的错误。即使使用(yòng)包络跟踪，您仍然会在基带频率上获取时间平均功率，该频率可(kě)能(néng)约為(wèi)数十或数百 MHz。

稳压器输出和放大器/振荡器部分(fēn)之间接地不良的示例。在此接地平面间隙上以高频布線(xiàn)会产生辐射 EMI。

保持均匀接地并练习良好放置，同时保持共面線(xiàn)上的阻抗控制，而不是尝试采用(yòng)简单的路線(xiàn)并拆分(fēn)接地层。如果可(kě)以把射频元件放在自己的部分(fēn)，把直流/稳压元件放在自己的部分(fēn)，只要能(néng)正确跟踪返回路径，就可(kě)以防止它们之间的干扰。

叠层设计和材料选择

在设计叠层时，您需要考虑稳压器的工作频率以及電(diàn)路板上 RF 線(xiàn)的長(cháng)度。对于较長(cháng)的射频線(xiàn)路，您需要使用(yòng)低损耗层压板，可(kě)能(néng)是PTFE 层压板。不走長(cháng)線(xiàn)的射频電(diàn)源，或者如果您只是不担心损耗，您通常可(kě)以使用(yòng) FR4 层压板作為(wèi)叠层材料。兼顾低损耗和低成本的一种方法是使用(yòng)带有(yǒu)支持射频線(xiàn)路的低损耗電(diàn)介质的混合叠层。

上面带有(yǒu)接地電(diàn)源轨布線(xiàn)的示例可(kě)以在 4 层板上完成，只要您还在表面层布線(xiàn) RF 線(xiàn)即可(kě)。您还可(kě)以使用(yòng)统一接地和電(diàn)源平面从稳压器部分(fēn)向组件提供電(diàn)源，并在表层上布線(xiàn) RF 線(xiàn)以保持 4 层板。这是在表面层使用(yòng)具有(yǒu)低损耗 PTFE 的混合叠层的好方法。但是，您可(kě)以在该電(diàn)路板中可(kě)靠实现的唯一隔离来自布線(xiàn)中的共面性，即来自您在 RF 線(xiàn)路和组件周围放置的过孔栅栏，以防止電(diàn)路板部分(fēn)之间的噪声耦合。

这些 4 层堆叠可(kě)用(yòng)于低或中等功率级别。目标是在功率级别增加时提供隔离，并适应更高功率级别可(kě)能(néng)需要的高電(diàn)压/電(diàn)流。

当您需要使用(yòng)更高功率同时提供高隔离时，您也可(kě)以使用(yòng) 6 层或 8 层堆叠进行此类设计。例如，您可(kě)以将 L3 设為(wèi)两个 GND 平面（在 L2/L4 上）之间的共面 RF 線(xiàn)的信号层，然后在 L5 上放置電(diàn)源，并可(kě)能(néng)在表面层或 L6 上路由您可(kě)能(néng)需要的任何其他(tā)信号。 这对于需要大量隔离的高功率设计更好，因為(wèi)接地平面将在层之间提供屏蔽。

这种 8 层堆叠為(wèi)内层的 RF 信号提供了電(diàn)源平面和高隔离度。通过去除两个底层，这也可(kě)以用(yòng)作 6 层板。

通过在设计的不同部分(fēn)之间提供隔离，您可(kě)以帮助防止允许噪声传播到输出中的寄生耦合类型。電(diàn)源的输出应具有(yǒu)足够低的噪声和失真，以便為(wèi)其他(tā)组件提供干净的電(diàn)源。在这种类型的设计中有(yǒu)两个主要的噪声源：

来自开关稳压器或嘈杂直流输入的噪音。 

噪声从输出耦合回放大器输入

这两点都可(kě)以通过这里提到的叠层设计技巧以及遠(yuǎn)离 RF 输出部分(fēn)的噪声部分(fēn)的智能(néng)放置来解决。第二点在更高频率下更具挑战性，通过耦合回放大器级的输入，可(kě)以看到 RF 输出经历正反馈。路由和过滤也非常重要，因為(wèi)它们可(kě)以帮助提供额外的隔离和噪声消除。

布局和布線(xiàn)

设计的这两个方面至关重要，因為(wèi)您需要抑制我在以上两点中提到的噪声问题。将 RF 走線(xiàn)从振荡器、放大器和接地共面波导（在表面或内部层）连接到输出，以确保有(yǒu)一定的隔离。不要使用(yòng)保护走線(xiàn)来提供任何屏蔽，因為(wèi)它们会产生更多(duō)的噪声耦合；仅使用(yòng)您為(wèi)共面線(xiàn)计算的过孔围栏样式。此外，如果您在内部层上进行布線(xiàn)，请确保通过分(fēn)析您的 via stubs来确定您是否需要回钻。

输出可(kě)能(néng)需要的任何其他(tā)调节取决于電(diàn)源的功能(néng)。它会直接路由到天線(xiàn)，还是路由到 SMA/u.FL 同轴線(xiàn)？通常将 RF 输出通过滤波器（BAW 或 SAW 滤波器），但在选择组件时要小(xiǎo)心，因為(wèi)芯片封装的 BAW 和 SAW 滤波器不能(néng)总是接受某些 RF 電(diàn)源中使用(yòng)的高 RF 功率。

您可(kě)能(néng)需要在 RF 输出网络上使用(yòng)的另一个组件包括隔离器/环行器，以防止任何反射返回放大器。您可(kě)以在输出端使用(yòng)一些 SMD 隔离器，如果您通过 RF 实现功率或将 RF 输出直接发送到天線(xiàn)，这一点尤其重要。

像这样的 SMD RF 隔离器与回流焊接工艺兼容，并且可(kě)以处理(lǐ)高功率（高达 20 W 或更高）。

如果您确实需要通过外部 RF 模块路由任何信号，您可(kě)以放置 SMD u.FL 或 SMA 连接器来进行这些连接。如果您的功率水平超过電(diàn)路板上等效 SMD/通孔组件的允许值，您可(kě)以根据需要将信号从電(diàn)路板上取下，通过模块，然后返回到電(diàn)路板上。

总之

虽然 RF 功率放大器和電(diàn)源设计通常是由分(fēn)立的滤波器元件构建的，但较新(xīn)的组件允许您非常积极地利用(yòng)您的外形，并将许多(duō)这些元件整合到一块板上。当然，请确保就您的叠层咨询您的制造商(shāng)，以确保它可(kě)以作為(wèi)混合板制造。还要确保您在传输線(xiàn)设计中考虑了铜粗糙度和電(diàn)介质色散，以确保您的 RF 传输線(xiàn)阻抗具有(yǒu)典型的 50 欧姆值。