RF与数模电路的PCB设计之魅

　　如何将RF与数模电路设计在同一PCB上？

　　手持无线通信设备和遥控设备的普及推动着对模拟、数字和RF混合设计需求的显著增长。手持设备、基站、遥控装置、蓝牙设备、计算机无线通信功能、众多消费电器以及军事/航空航天系统现需要采用RF技术。

　　数年来，RF设计需要专业设计人员使用专门的设计和分析工具来完成。典型情况下，PCB的RF部分由RF专业人员在独立环境下设计好后，再与混合技术 PCB的其余部分合并在一起的。这一过程的效率很低，而且为了与混合技术整合在一起，常常需要反复设计，还需要用到多个互不相关的数据库。

　　在过去，设计功能在两个设计环境进行和重复，并通过一个非智能的ASCII接口连接（图1（a））。两个环境中的PCB系统设计和RF专门设计系统有它们自己的库、RF设计数据库和设计存档。这就要求两个环境中的设计数据（原理图和版图）和库通过一个繁琐的ASCII接口进行管理和同步。

　　在这一旧的方法下，RF设计师孤立于PCB系统设计中的其他部分进行RF电路的开发。然后该RF电路再利用ASCII文件翻译到总体PCB设计中，从而在主PCB上创建出原理图和物理实现。如果RF电路存在问题，那么设计必须在独立的RF解决方案中修正，然后再重新翻译进主PCB。

　　RF模拟器只模拟了理想的射频电路。在实际混合系统实现中有许多零碎的地层、地过空和相邻的RF电路，这使得分析变得非常的困难，而且谁都知道这些附加的形状将会对RF电路运作产生长久的影响。

　　这一旧方法多年来已成功地用于混合信号电路板设计，但随着产品中RF电路含量的增加，两个独立设计系统带来的问题已开始影响设计师的生产力、产品上市时间和产品的质量。

　　为了解决这些问题，Mentor Graphics公司已经开发出一种动态链接技术，它可以将PCB原理图和版图工具与RF设计和模拟工具集成在一起，从而产生了一种新的解决方案，它可以克服传统的射频设计的缺点。

　　RF感知（RF aware）PCB设计

　　为保持PCB和RF设计间的设计意图，RF设计工具必须理解PCB布局中面向层（layer-oriented）的结构，而PCB系统也必须理解RF设计环境中使用的参数化平面微波元件。

　　另一个关键问题是，PCB系统将RF电路的版图构建成短路电路，这妨碍了对设计进行正确的设计规则检验（DRC）。对当今的复杂RF系统设计来说，功能上的RF感知DRC是设计方法学确保设计正确所必须的。

　　所有这些都对保持设计意图有帮助。保持设计意图非常关键，因为它是实现在工具集间设计数据的多次往返而不丢失信息的基础。

　　RF设计是个反复的过程，需要采取很多步骤对设计进行调整和优化。过去，在真实的PCB设计背景下，进行RF设计非常困难。当当在PCB上实现经过优化的RF模块时，仍无法保证它仍工作在最佳状态。作为一种验证，需要对PCB实现进行电磁场分析（EM）。

　　这个设计流程存在好几个问题。首先，电路被当作简单的金属层几何图形进行模拟，所以RF工具无法对金属层进行修改，无法把经优化的结果回送至PCB设计后仍拥有一个良好的RF电路。其次，EM方案很耗时。

　　在新流程中，因为PCB工具和RF工具对设计意图有共识，所以电路可在工具集间传来送去而不会丢失设计意图。这意味着电路模拟（速度很快）和EM分析（当需要时）可重复进行，且可对每次电路修改的结果进行比对。这一切是在真实PCB环境中完成的，包含了地平面、RF电路的版图、导线、过孔及其它元件。

　　RF PCB设计瓶颈

　　RF PCB设计瓶颈主要有以下几个。第一，由于PCB板上的每个RF模块可能已经被一个独立的RF设计小组设计出来，以及每个模块可以独立进行升级、演变和重利用，因此将整个电路作为一个整体来管理就变得至关重要，但在任何时候仍然把这些模块作为单独的电路元件进行存取。为了解决这个问题，原理图和版图工具必须扩展，以支持分层分组电路。通过这一方法，即使一个RF电路已经在PCB上布好，它仍然可以作为一个RF电路与其它模块放在一起，并可以连接到适当的 RF设计小组进行分析。

　　

　　下一个障碍是如何设计地平面。在传统的设计流程中，采用RF金属来作为一个黑箱金属块，与地的间隔是手工完成的，因为过空要经过每一个地层。当RF电路更新后（这是一个频繁的操作），裁掉的部分就必须手动修改以对应新的电路。对某些设计来说，仅这一编辑过程可能就要花几周的时间。

　　新的综合设计流程

　　RF设计工具和PCB设计工具之间的综合一直以ASCII IFF格式文件的双向转换为基础。该格式虽能处理部分设计数据，但还远远没有实现无缝的反复综合。缺少库同步是致命的一个原因。

　　这种设计需求催生出了一个基于网络的工具间的通信，它在RF设计和系统级PCB设计间提供一个动态双向链接（图1（b））。为支持并行工程处理，多个 PCB工程师可同时使用同一个设计数据库，每人都能链接一个或多个模拟部分。现在，可以采用RF设计工具来设计RF模块，并在恰当时候将其综合为系统级原理图和PCB的一部分，而不再像过去那样仅是个难以琢磨的黑匣子电路。在此阶段，可在任一环境中升级电路并模拟其效果。

　　将每个RF电路看作一组对象，以帮助维护可追溯性、版本管理和设计问题。因为设计意图得以保全，所以可实施任意多次的设计反复，而没有时间成本。此外，因为可以在真实系统级PCB环境中对RF模块进行模拟，所以应该更详尽地对其功能进行验证以帮助缩短设计周期。

　　最大程度降低PCB互连设计中RF效应

　　电路板系统的互连包括：芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部器件之间的三类互连。在RF设计中，互连点处的电磁特性是工程设计面临的主要问题之一，本文介绍上述三类互连设计的各种技巧，内容涉及器件安装方法、布线的隔离以及减少引线电感的措施等等。

　　目前有迹象表明，印刷电路板设计的频率越来越高。随着数据速率的不断增长，数据传送所要求的带宽也促使信号频率上限达到1GHz，甚至更高。这种高频信号技术虽然远远超出毫米波技术范围（30GHz），但的确也涉及RF和低端微波技术。

　　RF工程设计方法必须能够处理在较高频段处通常会产生的较强电磁场效应。这些电磁场能在相邻信号线或PCB线上感生信号，导致令人讨厌的串扰（干扰及总噪声），并且会损害系统性能。回损主要是由阻抗失配造成，对信号产生的影响如加性噪声和干扰产生的影响一样。

　　高回损有两种负面效应：1.信号反射回信号源会增加系统噪声，使接收机更加难以将噪声和信号区分开来；2.任何反射信号基本上都会使信号质量降低，因为输入信号的形状出现了变化。

　　尽管由于数字系统只处理1和0信号并具有非常好的容错性，但是高速脉冲上升时产生的谐波会导致频率越高信号越弱。尽管前向纠错技术可以消除一些负面效应，但是系统的部分带宽用于传输冗余数据，从而导致系统性能的降低。一个较好的解决方案是让RF效应有助于而非有损于信号的完整性。建议数字系统最高频率处 （通常是较差数据点）的回损总值为-25dB，相当于VSWR为1.1。

　　PCB设计的目标是更小、更快和成本更低。对于RFPCB而言，高速信号有时会限制PCB设计的小型化。目前，解决串扰问题的主要方法是进行接地层管理，在布线之间进行间隔和降低引线电感（studcapacitance）。降低回损的主要方法是进行阻抗匹配。此方法包括对绝缘材料的有效管理以及对有源信号线和地线进行隔离，尤其在状态发生跳变的信号线和地之间更要进行间隔。

　　由于互连点是电路链上最为薄弱的环节，在RF设计中，互连点处的电磁性质是工程设计面临的主要问题，要考察每个互连点并解决存在的问题。电路板系统的互连包括芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部装置之间信号输入/输出等三类互连。

　　一、芯片到PCB板间的互连

　　Pentium IV以及包含大量输入/输出互连点的高速芯片已经面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且处理速率已经能够达到1GHz。在最近GHz互连研讨会 （www.az.ww.com）上，最令人激动之处在于：处理I/O数量和频率不断增长问题的方法已经广为人知。芯片与PCB互连的最主要问题是互连密度太高会导致PCB材料的基本结构成为限制互连密度增长的因素。会议上提出了一个创新的解决方案，即采用芯片内部的本地无线发射器将数据传送到邻近的电路板上。

　　无论此方案是否有效，与会人员都非常清楚：就高频应用而言，IC设计技术已远远领先于PCB设计技术。

　　二、PCB板内互连

　　进行高频PCB设计的技巧和方法如下：

　　1. 传输线拐角要采用45°角，以降低回损（图1）；

　　2. 要采用绝缘常数值按层次严格受控的高性能绝缘电路板。这种方法有利于对绝缘材料与邻近布线之间的电磁场进行有效管理。

　　3. 要完善有关高精度蚀刻的PCB设计规范。要考虑规定线宽总误差为+/-0.0007英寸、对布线形状的下切（undercut）和横断面进行管理并指定布线侧壁电镀条件。对布线（导线）几何形状和涂层表面进行总体管理，对解决与微波频率相关的趋肤效应问题及实现这些规范相当重要。

　　4. 突出引线存在抽头电感，要避免使用有引线的组件。高频环境下，最好使用表面安装组件。

　　5. 对信号过孔而言，要避免在敏感板上使用过孔加工（pth）工艺，因为该工艺会导致过孔处产生引线电感。如一个20层板上的一个过孔用于连接1至3层时，引线电感可影响4到19层。

　　6. 要提供丰富的接地层。要采用模压孔将这些接地层连接起来防止3维电磁场对电路板的影响。

　　7. 要选择非电解镀镍或浸镀金工艺，不要采用HASL法进行电镀。这种电镀表面能为高频电流提供更好的趋肤效应（图2）。此外，这种高可焊涂层所需引线较少，有助于减少环境污染。

　　8. 阻焊层可防止焊锡膏的流动。但是，由于厚度不确定性和绝缘性能的未知性，整个板表面都覆盖阻焊材料将会导致微带设计中的电磁能量的较大变化。一般采用焊坝（solderdam）来作阻焊层。

　　如果你不熟悉这些方法，可向曾从事过军用微波电路板设计的经验丰富的设计工程师咨询。你还可同他们讨论一下你所能承受的价格范围。例如，采用背面覆铜共面 （copper-backedcoplanar）微带设计比带状线设计更为经济，你可就此同他们进行讨论以便得到更好的建议。优秀的工程师可能不习惯考虑成本问题，但是其建议也是相当有帮助的。现在要尽量对那些不熟悉RF效应、缺乏处理RF效应经验的年轻工程师进行培养，这将会是一项长期工作。

　　此外，还可以采用其他解决方案，如改进计算机型，使之具备RF效应处理能力。

　　三、PCB与外部装置互连

　　现在可以认为我们解决了板上以及各个分立组件互连上的所有信号管理问题。那么怎么解决从电路板到连接远端器件导线的信号输入/输出问题呢？同轴电缆技术的创新者TrompeterElectronics公司正致力于解决这个问题，并已经取得一些重要进展（图3）。 另外，看一下图4中给出的电磁场。这种情况下，我们管理着微带到同轴电缆之间的转换。在同轴电缆中，地线层是环形交织的，并且间隔均匀。在微带中，接地层在有源线之下。这就引入了某些边缘效应，需在设计时了解、预测并加以考虑。当然，这种不匹配也会导致回损，必须最大程度减小这种不匹配以避免产生噪音和信号干扰。

　　电路板内阻抗问题的管理并不是一个可以忽略的设计问题。阻抗从电路板表层开始，然后通过一个焊点到接头，最后终结于同轴电缆处。由于阻抗随频率变化，频率越高，阻抗管理越难。在宽带上采用更高频率来传输信号的问题看来是设计中面临的主要问题。