如何將RF與數(shù)模電路設計在同一PCB上？

手持無線通信設備和遙控設備的普及推動著對模擬、數(shù)字和RF混合設計需求的顯著增長。手持設備、基站、遙控裝置、藍牙設備、計算機無線通信功能、眾多消費電器以及軍事/航空航天系統(tǒng)現(xiàn)需要采用RF技術。

數(shù)年來，RF設計需要專業(yè)設計人員使用專門的設計和分析工具來完成。典型情況下，PCB的RF部分由RF專業(yè)人員在獨立環(huán)境下設計好后，再與混合技術 PCB的其余部分合并在一起的。這一過程的效率很低，而且為了與混合技術整合在一起，常常需要反復設計，還需要用到多個互不相關的數(shù)據(jù)庫。

在過去，設計功能在兩個設計環(huán)境進行和重復，并通過一個非智能的ASCII接口連接（圖1（a））。兩個環(huán)境中的PCB系統(tǒng)設計和RF專門設計系統(tǒng)有它們自己的庫、RF設計數(shù)據(jù)庫和設計存檔。這就要求兩個環(huán)境中的設計數(shù)據(jù)（原理圖和版圖）和庫通過一個繁瑣的ASCII接口進行管理和同步。

在這一舊的方法下，RF設計師孤立于PCB系統(tǒng)設計中的其他部分進行RF電路的開發(fā)。然后該RF電路再利用ASCII文件翻譯到總體PCB設計中，從而在主PCB上創(chuàng)建出原理圖和物理實現(xiàn)。如果RF電路存在問題，那么設計必須在獨立的RF解決方案中修正，然后再重新翻譯進主PCB。

RF模擬器只模擬了理想的射頻電路。在實際混合系統(tǒng)實現(xiàn)中有許多零碎的地層、地過空和相鄰的RF電路，這使得分析變得非常的困難，而且誰都知道這些附加的形狀將會對RF電路運作產生長久的影響。

這一舊方法多年來已成功地用于混合信號電路板設計，但隨著產品中RF電路含量的增加，兩個獨立設計系統(tǒng)帶來的問題已開始影響設計師的生產力、產品上市時間和產品的質量。

為了解決這些問題，Mentor Graphics公司已經開發(fā)出一種動態(tài)鏈接技術，它可以將PCB原理圖和版圖工具與RF設計和模擬工具集成在一起，從而產生了一種新的解決方案，它可以克服傳統(tǒng)的射頻設計的缺點。

RF感知（RF aware）PCB設計

為保持PCB和RF設計間的設計意圖，RF設計工具必須理解PCB布局中面向層（layer-oriented）的結構，而PCB系統(tǒng)也必須理解RF設計環(huán)境中使用的參數(shù)化平面微波元件。

另一個關鍵問題是，PCB系統(tǒng)將RF電路的版圖構建成短路電路，這妨礙了對設計進行正確的設計規(guī)則檢驗（DRC）。對當今的復雜RF系統(tǒng)設計來說，功能上的RF感知DRC是設計方法學確保設計正確所必須的。

所有這些都對保持設計意圖有幫助。保持設計意圖非常關鍵，因為它是實現(xiàn)在工具集間設計數(shù)據(jù)的多次往返而不丟失信息的基礎。

RF設計是個反復的過程，需要采取很多步驟對設計進行調整和優(yōu)化。過去，在真實的PCB設計背景下，進行RF設計非常困難。當當在PCB上實現(xiàn)經過優(yōu)化的RF模塊時，仍無法保證它仍工作在最佳狀態(tài)。作為一種驗證，需要對PCB實現(xiàn)進行電磁場分析（EM）。

這個設計流程存在好幾個問題。首先，電路被當作簡單的金屬層幾何圖形進行模擬，所以RF工具無法對金屬層進行修改，無法把經優(yōu)化的結果回送至PCB設計后仍擁有一個良好的RF電路。其次，EM方案很耗時。

在新流程中，因為PCB工具和RF工具對設計意圖有共識，所以電路可在工具集間傳來送去而不會丟失設計意圖。這意味著電路模擬（速度很快）和EM分析（當需要時）可重復進行，且可對每次電路修改的結果進行比對。這一切是在真實PCB環(huán)境中完成的，包含了地平面、RF電路的版圖、導線、過孔及其它元件。

RF PCB設計瓶頸

RF PCB設計瓶頸主要有以下幾個。第一，由于PCB板上的每個RF模塊可能已經被一個獨立的RF設計小組設計出來，以及每個模塊可以獨立進行升級、演變和重利用，因此將整個電路作為一個整體來管理就變得至關重要，但在任何時候仍然把這些模塊作為單獨的電路元件進行存取。為了解決這個問題，原理圖和版圖工具必須擴展，以支持分層分組電路。通過這一方法，即使一個RF電路已經在PCB上布好，它仍然可以作為一個RF電路與其它模塊放在一起，并可以連接到適當?shù)?RF設計小組進行分析。

下一個障礙是如何設計地平面。在傳統(tǒng)的設計流程中，采用RF金屬來作為一個黑箱金屬塊，與地的間隔是手工完成的，因為過空要經過每一個地層。當RF電路更新后（這是一個頻繁的操作），裁掉的部分就必須手動修改以對應新的電路。對某些設計來說，僅這一編輯過程可能就要花幾周的時間。

新的綜合設計流程

RF設計工具和PCB設計工具之間的綜合一直以ASCII IFF格式文件的雙向轉換為基礎。該格式雖能處理部分設計數(shù)據(jù)，但還遠遠沒有實現(xiàn)無縫的反復綜合。缺少庫同步是致命的一個原因。

這種設計需求催生出了一個基于網(wǎng)絡的工具間的通信，它在RF設計和系統(tǒng)級PCB設計間提供一個動態(tài)雙向鏈接（圖1（b））。為支持并行工程處理，多個 PCB工程師可同時使用同一個設計數(shù)據(jù)庫，每人都能鏈接一個或多個模擬部分?，F(xiàn)在，可以采用RF設計工具來設計RF模塊，并在恰當時候將其綜合為系統(tǒng)級原理圖和PCB的一部分，而不再像過去那樣僅是個難以琢磨的黑匣子電路。在此階段，可在任一環(huán)境中升級電路并模擬其效果。

將每個RF電路看作一組對象，以幫助維護可追溯性、版本管理和設計問題。因為設計意圖得以保全，所以可實施任意多次的設計反復，而沒有時間成本。此外，因為可以在真實系統(tǒng)級PCB環(huán)境中對RF模塊進行模擬，所以應該更詳盡地對其功能進行驗證以幫助縮短設計周期。

最大程度降低PCB互連設計中RF效應

電路板系統(tǒng)的互連包括：芯片到電路板、PCB板內互連以及PCB與外部器件之間的三類互連。在RF設計中，互連點處的電磁特性是工程設計面臨的主要問題之一，本文介紹上述三類互連設計的各種技巧，內容涉及器件安裝方法、布線的隔離以及減少引線電感的措施等等。

目前有跡象表明，印刷電路板設計的頻率越來越高。隨著數(shù)據(jù)速率的不斷增長，數(shù)據(jù)傳送所要求的帶寬也促使信號頻率上限達到1GHz，甚至更高。這種高頻信號技術雖然遠遠超出毫米波技術范圍（30GHz），但的確也涉及RF和低端微波技術。

RF工程設計方法必須能夠處理在較高頻段處通常會產生的較強電磁場效應。這些電磁場能在相鄰信號線或PCB線上感生信號，導致令人討厭的串擾（干擾及總噪聲），并且會損害系統(tǒng)性能。回損主要是由阻抗失配造成，對信號產生的影響如加性噪聲和干擾產生的影響一樣。

高回損有兩種負面效應：1.信號反射回信號源會增加系統(tǒng)噪聲，使接收機更加難以將噪聲和信號區(qū)分開來；2.任何反射信號基本上都會使信號質量降低，因為輸入信號的形狀出現(xiàn)了變化。

盡管由于數(shù)字系統(tǒng)只處理1和0信號并具有非常好的容錯性，但是高速脈沖上升時產生的諧波會導致頻率越高信號越弱。盡管前向糾錯技術可以消除一些負面效應，但是系統(tǒng)的部分帶寬用于傳輸冗余數(shù)據(jù)，從而導致系統(tǒng)性能的降低。一個較好的解決方案是讓RF效應有助于而非有損于信號的完整性。建議數(shù)字系統(tǒng)最高頻率處 （通常是較差數(shù)據(jù)點）的回損總值為-25dB，相當于VSWR為1.1。

PCB設計的目標是更小、更快和成本更低。對于RFPCB而言，高速信號有時會限制PCB設計的小型化。目前，解決串擾問題的主要方法是進行接地層管理，在布線之間進行間隔和降低引線電感（studcapacitance）。降低回損的主要方法是進行阻抗匹配。此方法包括對絕緣材料的有效管理以及對有源信號線和地線進行隔離，尤其在狀態(tài)發(fā)生跳變的信號線和地之間更要進行間隔。

由于互連點是電路鏈上最為薄弱的環(huán)節(jié)，在RF設計中，互連點處的電磁性質是工程設計面臨的主要問題，要考察每個互連點并解決存在的問題。電路板系統(tǒng)的互連包括芯片到電路板、PCB板內互連以及PCB與外部裝置之間信號輸入/輸出等三類互連。

一、芯片到PCB板間的互連

Pentium IV以及包含大量輸入/輸出互連點的高速芯片已經面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且處理速率已經能夠達到1GHz。在最近GHz互連研討會 （www.az.ww.com）上，最令人激動之處在于：處理I/O數(shù)量和頻率不斷增長問題的方法已經廣為人知。芯片與PCB互連的最主要問題是互連密度太高會導致PCB材料的基本結構成為限制互連密度增長的因素。會議上提出了一個創(chuàng)新的解決方案，即采用芯片內部的本地無線發(fā)射器將數(shù)據(jù)傳送到鄰近的電路板上。

無論此方案是否有效，與會人員都非常清楚：就高頻應用而言，IC設計技術已遠遠領先于PCB設計技術。

二、PCB板內互連

進行高頻PCB設計的技巧和方法如下：

　　1. 傳輸線拐角要采用45°角，以降低回損（圖1）；

　　2. 要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴格受控的高性能絕緣電路板。這種方法有利于對絕緣材料與鄰近布線之間的電磁場進行有效管理。

　　3. 要完善有關高精度蝕刻的PCB設計規(guī)范。要考慮規(guī)定線寬總誤差為+/-0.0007英寸、對布線形狀的下切（undercut）和橫斷面進行管理并指定布線側壁電鍍條件。對布線（導線）幾何形狀和涂層表面進行總體管理，對解決與微波頻率相關的趨膚效應問題及實現(xiàn)這些規(guī)范相當重要。

　　4. 突出引線存在抽頭電感，要避免使用有引線的組件。高頻環(huán)境下，最好使用表面安裝組件。

　　5. 對信號過孔而言，要避免在敏感板上使用過孔加工（pth）工藝，因為該工藝會導致過孔處產生引線電感。如一個20層板上的一個過孔用于連接1至3層時，引線電感可影響4到19層。

　　6. 要提供豐富的接地層。要采用模壓孔將這些接地層連接起來防止3維電磁場對電路板的影響。

　　7. 要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金工藝，不要采用HASL法進行電鍍。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應（圖2）。此外，這種高可焊涂層所需引線較少，有助于減少環(huán)境污染。

　　8. 阻焊層可防止焊錫膏的流動。但是，由于厚度不確定性和絕緣性能的未知性，整個板表面都覆蓋阻焊材料將會導致微帶設計中的電磁能量的較大變化。一般采用焊壩（solderdam）來作阻焊層。

如果你不熟悉這些方法，可向曾從事過軍用微波電路板設計的經驗豐富的設計工程師咨詢。你還可同他們討論一下你所能承受的價格范圍。例如，采用背面覆銅共面 （copper-backedcoplanar）微帶設計比帶狀線設計更為經濟，你可就此同他們進行討論以便得到更好的建議。優(yōu)秀的工程師可能不習慣考慮成本問題，但是其建議也是相當有幫助的?，F(xiàn)在要盡量對那些不熟悉RF效應、缺乏處理RF效應經驗的年輕工程師進行培養(yǎng)，這將會是一項長期工作。

此外，還可以采用其他解決方案，如改進計算機型，使之具備RF效應處理能力。

三、PCB與外部裝置互連

現(xiàn)在可以認為我們解決了板上以及各個分立組件互連上的所有信號管理問題。那么怎么解決從電路板到連接遠端器件導線的信號輸入/輸出問題呢？同軸電纜技術的創(chuàng)新者TrompeterElectronics公司正致力于解決這個問題，并已經取得一些重要進展（圖3）。 另外，看一下圖4中給出的電磁場。這種情況下，我們管理著微帶到同軸電纜之間的轉換。在同軸電纜中，地線層是環(huán)形交織的，并且間隔均勻。在微帶中，接地層在有源線之下。這就引入了某些邊緣效應，需在設計時了解、預測并加以考慮。當然，這種不匹配也會導致回損，必須最大程度減小這種不匹配以避免產生噪音和信號干擾。

電路板內阻抗問題的管理并不是一個可以忽略的設計問題。阻抗從電路板表層開始，然后通過一個焊點到接頭，最后終結于同軸電纜處。由于阻抗隨頻率變化，頻率越高，阻抗管理越難。在寬帶上采用更高頻率來傳輸信號的問題看來是設計中面臨的主要問題。