RF PCB设计指南：RF和微波PCB组装

2022-09-07

RF PCB设计指南：RF和微波PCB组装

RF PCB和微波pcb行业发展迅速，推动更快、更便宜地生产PCB组装的趋势仍在继续。这种激进的步伐导致PCB设计规则与组件要求发生冲突。设计师和制造商(shāng)之间的脱节导致盲目遵循这些规则，从而消除了提高性能(néng)的机会。

这些问题需要设计者意识到潜在的问题和陷阱，以避免它们。本指南讨论了射频和微波電(diàn)路设计所特有(yǒu)的一些挑战以及如何应对这些挑战的一些建议，涵盖了从基本设计技巧到大批量射频组装的实用(yòng)建议的所有(yǒu)内容。

射频PCB和微波PCB组装的基本设计指南

以下是此过程中的一些陷阱，旨在防止它们发生。

元件放置

元器件应尽可(kě)能(néng)靠近射频和微波PCB板的中心放置。这最大限度地减少了寄生電(diàn)感，寄生電(diàn)感会降低更高频率的性能(néng)。组件也应尽可(kě)能(néng)靠近其配对连接器放置。这减少了走線(xiàn)之间的耦合并提高了信号完整性。例如，如果您正在设计高速数字接口板，则在板的相对两侧保持走線(xiàn)彼此之间的最小(xiǎo)距离至关重要。这最大限度地减少了射频和微波PCB板上不同层上的信号之间的串扰。

接地不良

接地是任何電(diàn)路的一个关键方面。如果您的射频和微波PCB设计中有(yǒu)任何接地不良，您最终可(kě)能(néng)会对其他(tā)電(diàn)路造成干扰，甚至损坏您的電(diàn)路。例如，如果您的射频和微波PCB板的两侧都有(yǒu)迹線(xiàn)，那么一侧可(kě)能(néng)比另一侧有(yǒu)更好的连接（由于不同的环境条件）。这可(kě)能(néng)会导致问题。為(wèi)避免这种情况，请使用(yòng)多(duō)个过孔和粗迹線(xiàn)确保所有(yǒu)迹線(xiàn)在其整个長(cháng)度上良好接地。

路由优化

 通过消除不需要的區(qū)域中的过孔（互连点），可(kě)以优化布線(xiàn)路径以降低噪声。通孔通常用(yòng)作有(yǒu)助于减少机载辐射的接地层。但是，如果通孔位于射频和微波PCB板上的高阻抗点附近，例如電(diàn)源線(xiàn)，它们也可(kě)以用(yòng)作天線(xiàn)。在这种情况下，它们可(kě)能(néng)会将電(diàn)磁能(néng)量辐射到自由空间或其他(tā)附近的导體(tǐ)，例如接地平面的迹線(xiàn)或電(diàn)缆。

循环區(qū)

与線(xiàn)性走線(xiàn)相比，环路區(qū)域由于其高阻抗而导致信号劣化。因此，尽可(kě)能(néng)使用(yòng)多(duō)个过孔而不是单个过孔来最小(xiǎo)化环路面积，或者将它们放置在尽可(kě)能(néng)靠近元件焊盘的位置，以便它们与需要与射频和微波中的过孔连接的元件焊盘之间的長(cháng)度最小(xiǎo)印刷電(diàn)路板。

传导噪声

传导噪声通过导電(diàn)路径传播，例如迹線(xiàn)或接地层。传导噪声可(kě)能(néng)由射频和微波PCB板上的开关晶體(tǐ)管、微控制器或其他(tā)電(diàn)子设备引起。当这些设备关闭时，它们会发出電(diàn)流尖峰，从而产生从您的射频和微波PCB板辐射的電(diàn)磁场。这些尖峰称為(wèi)瞬态電(diàn)流尖峰，它们可(kě)以穿过射频和微波PCB板上的接地层，如果它们到达電(diàn)路板末端的天線(xiàn)，就会产生静電(diàn)放電(diàn)(ESD)事件。

使用(yòng)多(duō)层射频PCB和微波PCB板

添加到射频和微波PCB板上的层越多(duō)，可(kě)用(yòng)于散热和提供電(diàn)流返回路径的铜表面积就越大。这意味着多(duō)层板非常适合射频/微波系统等高频应用(yòng)，在这些应用(yòng)中，必须有(yǒu)效散热，同时為(wèi)天線(xiàn)中的高频電(diàn)流保持低阻抗返回路径。

回波信号损失

天線(xiàn)的回波信号损耗是射频和微波PCB设计中的一个重要考虑因素。任何射频和微波PCB板的回波损耗定义為(wèi)给定频率下前向波和反射波之间的功率比。在理(lǐ)想情况下，该值应在所有(yǒu)感兴趣的频率上大于-20 dB。但是，在实践中，您应该将-10 dB视為(wèi)大多(duō)数应用(yòng)的最低要求。

回波损耗的主要贡献者包括接地层中的阻抗失配和泄漏電(diàn)流。天線(xiàn)与其相关组件之间的阻抗不匹配会导致反射，从而导致效率降低和性能(néng)下降。例如，确保天線(xiàn)和同轴電(diàn)缆之间的阻抗匹配在+/- 2%以内将有(yǒu)助于确保良好的效率。

泄漏電(diàn)流还可(kě)能(néng)通过将信号反射到其源電(diàn)路或将它们辐射到自由空间中而造成相当大的损耗，从而对射频和微波PCB板上的其他(tā)设备或系统造成干扰。

射频PCB层压板特性

PCB层压板特性是射频和微波PCB板性能(néng)的基础。可(kě)用(yòng)的层压板类型具有(yǒu)不同的特性，包括介電(diàn)常数（又(yòu)名 k 因子）、损耗角正切和温度系数。这些因素都会影响您的射频和微波PCB板在其生命周期内的性能(néng)。这些特性会受到很(hěn)多(duō)因素的影响，包括PCB材料的厚度、使用(yòng)的基板类型，甚至是射频和微波PCB板本身的层数。

选择PCB层压板时最重要的因素是确保它与您的射频和微波PCB设计要求兼容。例如，如果您需要高频性能(néng)，您可(kě)能(néng)需要选择高介電(diàn)常数材料，例如Rogers Core或Rogers 3705 PTFE层压板。但是，如果您不需要高频性能(néng)，则较低k因子的材料（例如 FR4）可(kě)能(néng)足以满足您的需求。

射频和微波PCB的传输線(xiàn)和通孔

传输線(xiàn)用(yòng)于将射频信号从一个地方传导到另一个地方。传输線(xiàn)具有(yǒu)不同的阻抗值，可(kě)以根据其電(diàn)長(cháng)度进行分(fēn)类。阻抗是由電(diàn)感、電(diàn)容和其他(tā)電(diàn)气特性引起的電(diàn)流阻力。传输線(xiàn)通常由单个导體(tǐ)或一对导體(tǐ)（屏蔽或非屏蔽）组成。传输線(xiàn)的阻抗取决于其物(wù)理(lǐ)長(cháng)度和工作频率。

传输線(xiàn)的主要目的是减少射频和微波PCB上两个设备之间转换期间的信号反射。為(wèi)此，您必须确保線(xiàn)路中没有(yǒu)可(kě)能(néng)导致反射或驻波的不连续性。这需要在您的射频和微波PCB板布局上放置组件并為(wèi)您的应用(yòng)选择正确的传输線(xiàn)设计时进行仔细的设计规划。

传输線(xiàn)共有(yǒu)三种：同轴電(diàn)缆、微带線(xiàn)和槽線(xiàn)。

同轴電(diàn)缆

同轴電(diàn)缆用(yòng)于高达40 GHz的高频应用(yòng)，因為(wèi)它们可(kě)以在整个带宽范围内处理(lǐ)高電(diàn)流而几乎没有(yǒu)损耗。同轴電(diàn)缆通常由铜線(xiàn)制成，但也可(kě)以使用(yòng)其他(tā)射频和微波PCB材料，例如镀银铜，具體(tǐ)取决于应用(yòng)的频带和功率要求。

微带

微带線(xiàn)是最常用(yòng)的传输線(xiàn)。它由射频PCB层压板一侧的接地层和另一侧的高架信号走線(xiàn)组成。地平面应该比信号走線(xiàn)宽，所以它们之间没有(yǒu)相互作用(yòng)。对于毫米波频率，介電(diàn)层的厚度至少应為(wèi)1/4英寸，对于UHF或更高频率，電(diàn)介质层的厚度应至少為(wèi)1/2英寸。在较低频率下，您可(kě)以使用(yòng)更薄的電(diàn)介质，例如FR-4或Rogers 4350，而不会因接地层和信号走線(xiàn)之间的边缘场而增加损耗。

带状線(xiàn)

带状線(xiàn)类似于微带線(xiàn)，只是它在射频PCB层压板的一侧或两侧没有(yǒu)接地层。它的损耗比微带線(xiàn)小(xiǎo)，因為(wèi)两个导體(tǐ)之间没有(yǒu)边缘场。当高速信号必须長(cháng)距离传输时，通常使用(yòng)带状線(xiàn)，而不会导致带状線(xiàn)弯曲处的阻抗不匹配或安装在其末端的连接器产生反射。

電(diàn)源平面间隙

電(diàn)源平面间隙是两个导電(diàn)层之间的距离。设计这种间隙的目的是减少不同信号层之间或信号层与接地平面或参考平面之间的不希望有(yǒu)的耦合。它还限制了相邻迹線(xiàn)之间的干扰并防止相邻信号层之间的串扰。它还有(yǒu)助于避免在尖角处产生電(diàn)弧或火花(huā)，这很(hěn)危险并会影响電(diàn)路的性能(néng)。

電(diàn)源层的最小(xiǎo)建议间隙為(wèi)距任何其他(tā)信号层0.15 mm，包括同一层上的过孔。例如，如果有(yǒu)两个信号层非常接近，那么您应该确保它们之间至少有(yǒu)0.15 mm的距离，以免由于附近的过孔或走線(xiàn)的電(diàn)容耦合或電(diàn)感耦合效应而造成它们之间的任何干扰问题在这两层上。

关键要点

本文(wén)的目的是对与射频和微波PCB制造相关的射频和微波PCB设计和组装挑战进行一般性介绍。根据您是设计复杂的射频和微波PCB板还是使用(yòng)超小(xiǎo)型组件，挑战各不相同。尽管我们在这里介绍的内容遠(yuǎn)非全面，但希望它為(wèi)有(yǒu)兴趣了解更多(duō)有(yǒu)关射频和微波PCB的任何人提供了一个有(yǒu)用(yòng)的起点。韬放電(diàn)子了解更多(duō)信息，开始您的下一个射频和微波PCB项目。