什么是射频電(diàn)路设计？

2021-07-27

什么是射频電(diàn)路设计？

数字系统设计人员可(kě)能(néng)熟悉某些 RF 组件和路由样式，但 RF 電(diàn)路设计涉及的内容遠(yuǎn)不止这些。射频電(diàn)路可(kě)以包括集成電(diàn)路、分(fēn)立半导體(tǐ)和印刷射频元件，它们一起工作以产生所需的功能(néng)。RF 電(diàn)路设计涉及将所有(yǒu)这些元素结合起来以构建整个系统并创建 PCB 布局。

RF 電(diàn)路不像典型的電(diàn)路图那样直观，有(yǒu)时图表可(kě)能(néng)会违反基本的電(diàn)气设计规则。然而，由于電(diàn)磁场的传播特性，在 RF 频率下运行的電(diàn)路的行為(wèi)与在 DC 或数字频带中运行的典型集成電(diàn)路非常不同。无论您是在设计无線(xiàn)通信系统，还是只需要设计具有(yǒu)特定阻抗的传输線(xiàn)，请注意微波工程的这些基础知识。

射频電(diàn)路设计简介

规划您的電(diàn)路板结构>

常见的射频電(diàn)路设计

用(yòng)于射频電(diàn)路设计和布局的工具

人们经常开玩笑说，集成電(diàn)路和 PCB 的射频 (RF) 设计是您通过大學(xué)资格考试只需要知道的事情。然而，当今的许多(duō)专业产品需要使用(yòng)混合信号组件、包含无線(xiàn)通信模块或支持雷达等高频应用(yòng)。RF 设计现在重新(xīn)成為(wèi)主流，不熟悉 RF 设计的设计人员应该阅读本指南以提高他(tā)们的技能(néng)。

射频電(diàn)路设计简介

RF 電(diàn)路旨在通过使用(yòng)電(diàn)路板上的印刷元件构建结构来模拟标准電(diàn)路元件和一些简单的集成電(diàn)路。RF 電(diàn)路可(kě)能(néng)看起来有(yǒu)点陌生，因為(wèi)它们并不总是使用(yòng)现成的组件。相反，RF 電(diàn)路可(kě)以使用(yòng) PCB 上的印刷迹線(xiàn)和一些附加组件来在電(diàn)路板中提供所需的功能(néng)。

印刷射频電(diàn)路

RF 電(diàn)路板的印刷部分(fēn)将使用(yòng)铜迹線(xiàn)来构建電(diàn)路元件。RF 電(diàn)路中的走線(xiàn)、電(diàn)容器或電(diàn)感器元件以及半导體(tǐ)的布置可(kě)能(néng)看起来不直观，但它们利用(yòng)電(diàn)磁场中的传播行為(wèi)来产生所需的電(diàn)气行為(wèi)。关于 RF 電(diàn)路设计以及 PCB 上的 RF 電(diàn)路的電(diàn)气行為(wèi)，有(yǒu)一些重要的概念点需要记住：

被动：除非有(yǒu)源关闭的，现成的组分(fēn)被加入到设计中的所有(yǒu)印刷RF電(diàn)路是无源的。然而，正在研究完全由印刷迹線(xiàn)构建的有(yǒu)源射频组件。

線(xiàn)性：由印刷迹線(xiàn)构成的 RF 電(diàn)路始终是線(xiàn)性的，这意味着電(diàn)压和電(diàn)流通过線(xiàn)性函数（图形上的直線(xiàn)）相关。只有(yǒu)在電(diàn)路中添加非線(xiàn)性半导體(tǐ)元件（例如二极管）时，这些電(diàn)路才会变為(wèi)非線(xiàn)性。

传播：所有(yǒu)射频電(diàn)路都利用(yòng)波传播。这意味着在确定如何匹配電(diàn)路周围的阻抗以及如何在 RF 電(diàn)路的不同部分(fēn)之间创建接口时，需要使用(yòng)输入阻抗。

信号完整性：射频信号完整性依赖于電(diàn)磁屏蔽和隔离，因為(wèi)射频信号需要尽可(kě)能(néng)无噪声。已经设计了许多(duō)独特的屏蔽结构和布局技术来帮助在射频系统中提供所需的屏蔽和隔离。

有(yǒu)源射频電(diàn)路

有(yǒu)源射频電(diàn)路可(kě)以包括从振荡器到驱动放大器、ADC 和收发器的任何东西。除了印刷迹線(xiàn)之外，还可(kě)以使用(yòng)这些组件来提供附加功能(néng)。许多(duō)雷达模块、无線(xiàn)系统、放大器和電(diàn)信组件将使用(yòng)有(yǒu)源组件和无源電(diàn)路来路由 RF 信号并提供所需的信号传播行為(wèi)。信号采样、操作和处理(lǐ)由有(yǒu)源组件执行，这些组件还可(kě)以提供返回数字系统的接口。

规划您的電(diàn)路板结构

就像高速数字 PCB 一样，成功的 RF 電(diàn)路设计依赖于构建可(kě)以支持您的 RF 電(diàn)路的 PCB 叠层。叠层的设计应使 RF 元件具有(yǒu)所需的特性阻抗，尽管您的系统阻抗将是您的 RF 電(diàn)路布局和布線(xiàn)的复杂功能(néng)。此外，您的電(diàn)路板工作的相关频率将决定叠层的构建方式、您可(kě)能(néng)需要的印刷電(diàn)路类型以及您可(kě)以使用(yòng)的射频组件。RFIC 设计遵循许多(duō)与 RF PCB 设计相同的想法，掌握这些概念将有(yǒu)助于您在 RF 设计的任何领域取得成功。

射频電(diàn)路板材料

FR4 材料适用(yòng)于工作频率高达 WiFi 频率 (~6 GHz) 的射频传输線(xiàn)和互连。除了这些频率之外，RF 工程师建议使用(yòng)替代材料来支持 RF 信号传播和印刷 RF 電(diàn)路设计。标准 FR4 层压板使用(yòng)树脂填充的玻璃纤维编织物(wù)来固定组件，但如果未正确指定制造程序，某些材料中的这些纤维编织效果可(kě)能(néng)会产生信号和電(diàn)源完整性问题。

替代材料系统使用(yòng)基于 PTFE 的层压板和粘合层材料将 PTFE 层与 PCB 叠层中的下一层粘合。这些材料的损耗角正切比 FR4 材料低，因此信号可(kě)以传播得更遠(yuǎn)而不会衰减，并且仍处于可(kě)接受的范围内。这些层压板应形成支持非常高频率的 RF 传输線(xiàn)（例如 77 GHz 雷达）或较低频率的非常長(cháng)的互连（例如 6 GHz WiFi）的基板。下表总结了常见射频 PCB 材料的一些重要材料特性。

RF PCB 材料的一些介電(diàn)和热特性。

带有(yǒu)射频材料的 PCB 叠层

一旦您為(wèi)您的射频设计选择了层压材料和粘合层材料，就可(kě)以将它们添加到您的叠层中。虽然您可(kě)以使用(yòng) RF 材料构建整个多(duō)层 PCB 叠层，但通常不需要它，而且可(kě)能(néng)过于昂贵。一种选择是构建混合叠层，其中射频层压板放置在顶层以支持射频传输線(xiàn)和電(diàn)路，而内层用(yòng)于支持接地层、数字信号路由和電(diàn)源。相反的层还可(kě)以支持需要与您的射频前端、用(yòng)于收集射频信号的任何 ADC 或其他(tā)组件接口的数字组件。

使用(yòng) Rogers PTFE 层压板的混合叠层示例。

如果您的 RF PCB 布局中不需要数字部分(fēn)，您可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)标准或接近标准厚度的 RF 层压板的 2 层或 3 层 PCB。一旦确定了 PCB 层厚度和材料系统，您就需要确定射频走線(xiàn)的阻抗。

计算射频走線(xiàn)阻抗

确定叠层后，您需要计算 PCB 上导體(tǐ)的宽度，以在您的 RF 電(diàn)路中产生所需的阻抗（通常為(wèi) 50 欧姆）。迹線(xiàn)的阻抗及其尺寸使用(yòng)一些公式相关联，这些公式是通过称為(wèi)共形映射的技术得出的。目前，寻找计算具有(yǒu)复介電(diàn)常数的走線(xiàn)阻抗的公式的最佳资源是 Brian C. Waddell 的传输線(xiàn)设计手册。但是，这些公式无法针对特定宽度求解，因此需要通过数值技术来确定传输線(xiàn)具有(yǒu)特定阻抗所需的宽度。

了解有(yǒu)关计算微带線(xiàn)阻抗的更多(duō)信息

了解有(yǒu)关计算对称带状線(xiàn)阻抗的更多(duō)信息

对于更复杂的布置，例如偏移带状線(xiàn)或波导，更好的选择是使用(yòng)带有(yǒu)集成场解算器的叠层设计工具。这些实用(yòng)程序可(kě)以考虑铜粗糙度、制造过程中的锥度、差分(fēn)布線(xiàn)安排以及层间走線(xiàn)的位置。它们也很(hěn)容易在您的 PCB 设计软件中使用(yòng)。

Altium Designer 中的层堆栈管理(lǐ)器包括一个阻抗计算器，用(yòng)于计算铜粗糙度。

一旦您知道互连的阻抗，您仍然需要通过查看反射仿真结果或通过查看数据表来确定阻抗匹配要求。对于印刷射频電(diàn)路中使用(yòng)的传输線(xiàn)，不同传输線(xiàn)部分(fēn)的输入阻抗用(yòng)于确定给定電(diàn)路的阻抗匹配。如果您在 RF 電(diàn)路中连接传输線(xiàn)和组件，则需要在设计 RF 组件的阻抗匹配网络时包括输入阻抗。

了解有(yǒu)关传输線(xiàn)阻抗值的更多(duō)信息

了解有(yǒu)关传输線(xiàn)临界長(cháng)度的更多(duō)信息

常见的射频電(diàn)路设计

在设计 RF 電(diàn)路之前设计 PCB 叠层很(hěn)重要，尤其是无源 RF 電(diàn)路，因為(wèi)它们需要达到特定的阻抗目标才能(néng)正常工作。此外，印刷射频電(diàn)路利用(yòng)传输線(xiàn)上的電(diàn)磁场传播，传播行為(wèi)将取决于基板材料的介電(diàn)功能(néng)。一旦确定了这些细节，您就可(kě)以开始设计您的射频電(diàn)路并為(wèi)您的系统选择其他(tā)组件。

印刷射频電(diàn)路是通过计算用(yòng)于 PCB 上特定结构的传输線(xiàn)截面来设计的。您的传输線(xiàn)设计将引导传播波到组件，同时还提供衰减、放大、滤波、谐振和发射（例如，作為(wèi)天線(xiàn)）等行為(wèi)。通常需要在短截線(xiàn)、与组件的接口和天線(xiàn)处进行阻抗变换，以克服 RF 信号在传播时看到的阻抗失配。产生这些功能(néng)的各种印刷结构在许多(duō)教科(kē)书中都是众所周知的。

RF 電(diàn)路和 PCB 中使用(yòng)的一些结构和组件包括：

无源和有(yǒu)源滤波器

衰减器

循环器

放大器

射频功率分(fēn)配器、分(fēn)配器和合路器

天線(xiàn)

谐振器

波导腔

添加其他(tā)组件后，您需要先创建電(diàn)路原理(lǐ)图，然后才能(néng)开始布局。在原理(lǐ)图中放置 RF 電(diàn)路的过程与用(yòng)于数字系统的过程相同。電(diàn)路仿真在前端 RF 工程中也很(hěn)重要，因為(wèi)您需要在创建 PCB 布局之前评估系统的電(diàn)气功能(néng)。这通常是在您的设计中使用(yòng) SPICE 仿真来执行的，電(diàn)路板中的印刷元件被定义為(wèi) SPICE 中的传输線(xiàn)对象。最好的原理(lǐ)图编辑器将包含传输線(xiàn)对象，让您能(néng)够准确地模拟電(diàn)路板中的電(diàn)磁行為(wèi)。

射频電(diàn)路布局工具

一旦您的 RF 電(diàn)路设计完成并在您所需的频率范围内通过電(diàn)路仿真工具，就可(kě)以进行物(wù)理(lǐ)布局了。RF PCB 设计人员通常需要采用(yòng)机械方法来仔细设计他(tā)们的 RF 互连，同时还要遵守标准的高频设计规则，例如最小(xiǎo)化过孔和走線(xiàn)長(cháng)度。任何出现在 PCB 上的高频電(diàn)路都需要设计成满足阻抗目标和几何公差，因此您的 CAD 工具需要与您的電(diàn)气设计规则相结合，以确保符合这些目标。

如果您还有(yǒu)必须与 RF 電(diàn)路连接的数字组件，则需要使用(yòng)相同的一组工具将它们放置在 PCB 布局中。仔细放置和正确的叠层设计将有(yǒu)助于防止干扰高频電(diàn)路和射频信号收集。原生 3D 设计工具在这里也很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，因為(wèi)一些 RF 系统是多(duō)板系统，在准备制造之前需要检查整个组件。

使用(yòng)正确的 PCB 设计工具完成您的物(wù)理(lǐ)布局。

当您需要构建同时保持信号完整性的高级 RF 系统时，您需要一整套電(diàn)路仿真工具、PCB 布線(xiàn)和布局工具以及层堆栈设计工具来帮助您达到阻抗目标。无论您需要布局用(yòng)于信号收集的低噪声放大器、用(yòng)于广播信号的射频功率放大器，还是具有(yǒu)独特走線(xiàn)和过孔结构的复杂互连，最好的 PCB 布局工具都将帮助您在创建射频 PCB 布局时保持灵活性。