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手机PCB设计的RF布局技巧

增加手机功能是对的PCB一轮蓝牙设备、蜂窝电话和3的设计要求更高G随着时代的到来,工程师们越来越关注它RF电路设计技巧。 射频 (RF)由于理论上电路板设计存在诸多不确定性,因此常被形容为黑艺术,但这种观点只是部分正确,RF电路板设计也有许多标准和不可忽视的规则。然而,在实际设计中,真正实用的技能是当这些标准和规则由于各种设计限制而无法准确实施时,如何妥协。当然,有很多重要的RF设计课题值得讨论,包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层压板、波长和驻波,所以这些都是手机EMC、EMI影响都很大,下面就对手机PCB板的在设计RF总结布局中必须满足的条件:

1 尽可能高功率RF放大器(HPA)低噪声放大器(LNA)简单来说,隔离就是让高功率RF远离低功率的发射电路RF接收电路。手机功能多,元器件多,但是PCB空间小,考虑到布线设计过程限制最高,所有这些都对设计技巧有很高的要求。此时可能需要从四层到六层设计PCB让他们交替工作,而不是同时工作。有时还包括高功率电路RF缓冲器和压控振荡器(VCO)。确保PCB板上至少有一整块高功率区,最好上面没有过孔。当然,铜皮越多越好。敏感的模拟信号应尽可能远离高速数字信号和RF信号。

2 设计分区可分为物理分区和电气分区。物理分区主要涉及部件布局、方向和屏蔽;电气分区可继续分解为电源分配RF接线、敏感电路、信号、接地等分区。

3.2.1 我们讨论物理分区。元器件布局是为了实现卓越RF最有效的技术是设计的关键RF路径上的元器件,并调整其朝向以将RF尽量减少路径长度,使输入远离输出,并尽可能远离高功率电路和低功率电路。

最有效的电路板堆叠方法是将主地面(主地)布置在表面下的第二层,并尽可能多地堆叠RF线走在表面。将RF路径上的过孔尺寸减到最小不仅可以减少路径电感,而且还可以减少主地上的虚焊点,并可减少RF能量泄漏到层叠板其他区域的机会。在物理空间中,多级放大器等线性电路通常足以使多个电路RF区域相互隔离,但总有多个双工器、混频器和中频放大器/混频器RF/IF信号相互干扰,所以这种影响必须小心减少。

3.2.2 RF与IF走线应尽可能跨越十字路口,并尽可能地。正确的RF路径对整块PCB板的性能非常重要,这就是为什么部件布局通常在手机上PCB板材设计占大部分时间的原因。在手机PCB在板设计中,低噪声放大器电路通常可以放置PCB板的一侧,高功率放大器放在另一侧,最后通过双工器连接到同一侧RF天线上的端和基带处理器端。需要一些技巧来确保直通过孔不会RF能量从板的一面传递到另一面,常用的技术是在两面都使用盲孔。直通过孔可以安排PCB板的两面都不受影响RF直通孔的不利影响最小化干扰区域。有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离。在这种情况下,必须考虑使用金属屏蔽来屏蔽射频能量RF在区域内,金属屏蔽罩必须焊接在地面上,必须与部件保持适当的距离,因此需要占用宝贵的PCB板空间。尽可能保证屏蔽的完整性是非常重要的。进入金属屏蔽的数字信号线应尽可能进入内层,最好进入下层PCB是地层。RF信号线可以从金属屏蔽罩底部的小间隙和接地间隙的布线层中走出,但间隙周围应尽可能多地布置,不同层上的接地可以通过多个孔连接在一起。

3.2.3 芯片电源的适当有效去耦也很重要。许多集成了线性线路的线性线路RF芯片对电源的噪音非常敏感,通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的电源噪音。集成电路或放大器通常有一个泄漏极输出,因此需要一个上拉电感来提供高阻抗RF负载和低阻抗直流电源,同样的原理也适用于去耦这个电感端的电源。有些芯片需要多个电源才能工作,所以你可能需要两到三套电容器电感器分别去耦,电感器很少并行靠在一起,因为它会形成空芯变压器并相互感应产生干扰信号,所以它们之间的距离至少相当于其中一个设备的高度,或者直角排列以减少相互感应。

3.2.4 电气分区原则与物理分区一般相同,但也包含其他一些因素。手机的某些部分使用不同的工作电压,并在软件的帮助下控制,以延长电池的工作寿命。这意味着手机需要运行多种电源,这给隔离带来了更多的问题。电源通常从连接器引入,并立即去耦,以过滤电路板外的任何噪声,然后通过一组开关或稳压器分配。手机PCB板上大多数电路的直流电流都很小,所以接线宽度通常不是问题,但高功率放大器的电源必须尽可能宽流线,以将传输压降减到最低。为了避免太多电流损耗,需要采用多个过孔来将电流从某一层传递到另一层。此外,如果不能在高功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去耦,那么高功率噪声将会辐射到整块板上,并带来各种各样的问题。高功率放大器的接地相当关键,并经常需要为其设计一个金属屏蔽罩。在大多数情况下,同样关键的是确保RF输出远离RF输入。这也适用于放大器、缓冲器和滤波器。在最坏情况下,如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的输入端,那么它们就有可能产生自激振荡。在最好情况下,它们将能在任何温度和电压条件下稳定地工作。实际上,它们可能会变得不稳定,并将噪音和互调信号添加到RF信号上。如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端,这可能会严重损害滤波器的带通特性。为了使输入和输出得到良好的隔离,首先必须在滤波器周围布一圈地,其次滤波器下层区域也要布一块地,并与围绕滤波器的主地连接起来。把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器引脚也是个好方法。

    此外,整块板上各个地方的接地都要十分小心,否则会在引入一条耦合通道。有时可以选择走单端或平衡RF信号线,有关交叉干扰和EMC/EMI的原则在这里同样适用。平衡RF信号线如果走线正确的话,可以减少噪声和交叉干扰,但是它们的阻抗通常比较高,而且要保持一个合理的线宽以得到一个匹配信号源、走线和负载的阻抗,实际布线可能会有一些困难。缓冲器可以用来提高隔离效果,因为它可把同一个信号分为两个部分,并用于驱动不同的电路,特别是本振可能需要缓冲器来驱动多个混频器。当混频器在RF频率处到达共模隔离状态时,它将无法正常工作。缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化,从而电路之间不会相互干扰。缓冲器对设计的帮助很大,它们可以紧跟在需要被驱动电路的后面,从而使高功率输出走线非常短,由于缓冲器的输入信号电平比较低,因此它们不易对板上的其它电路造成干扰。压控振荡器(VCO)可将变化的电压转换为变化的频率,这一特性被用于高速频道切换,但它们同样也将控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化,而这就给RF信号增加了噪声。

3.2.5 要保证不增加噪声必须从以下几个方面考虑:首先,控制线的期望频宽范围可能从DC直到2MHz,而通过滤波来去掉这么宽频带的噪声几乎是不可能的;其次,VCO控制线通常是一个控制频率的反馈回路的一部分,它在很多地方都有可能引入噪声,因此必须非常小心处理VCO控制线。要确保RF走线下层的地是实心的,而且所有的元器件都牢固地连到主地上,并与其它可能带来噪声的走线隔离开来。此外,要确保VCO的电源已得到充分去耦,由于VCO的RF输出往往是一个相对较高的电平,VCO输出信号很容易干扰其它电路,因此必须对VCO加以特别注意。事实上,VCO往往布放在RF区域的末端,有时它还需要一个金属屏蔽罩。谐振电路(一个用于发射机,另一个用于接收机)与VCO有关,但也有它自己的特点。简单地讲,谐振电路是一个带有容性二极管的并行谐振电路,它有助于设置VCO工作频率和将语音或数据调制到RF信号上。所有VCO的设计原则同样适用于谐振电路。由于谐振电路含有数量相当多的元器件、板上分布区域较宽以及通常运行在一个很高的RF频率下,因此谐振电路通常对噪声非常敏感。信号通常排列在芯片的相邻脚上,但这些信号引脚又需要与相对较大的电感和电容配合才能工作,这反过来要求这些电感和电容的位置必须靠得很近,并连回到一个对噪声很敏感的控制环路上。要做到这点是不容易的。

标签: 空芯rf电感器

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