基于VXI總線(xiàn)的射頻開(kāi)關(guān)模塊的研制

2 模塊功能電路PCB板的設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)早已進(jìn)入EDA(Electronic Design Automation―電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）階段。計(jì)算機(jī)軟件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，OrCad，Protel等都是人們熟悉的常用EDA軟件。Protel 99 SE是Protel公司推出的最新版本，應(yīng)用于電路原理圖設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)等，它基于Windows環(huán)境，功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，能讓人們?cè)诰哂凶钔晟频墓δ墉h(huán)境下，提升設(shè)計(jì)上的品質(zhì)和效率。是設(shè)計(jì)印制電路板(PCB－Printed Circuit Board)的重要工具。

射頻電路的頻率范圍約為10kHz到300GHz。隨著頻率的增加，射頻電路表現(xiàn)出不同于低頻電路和直流電路的一些特性。因此，在設(shè)計(jì)射頻電路的PCB板時(shí)就需要特別注意射頻信號(hào)給PCB板所帶來(lái)的影響。本射頻開(kāi)關(guān)電路是由VXI總線(xiàn)控制的，在設(shè)計(jì)中為減少干擾，在總線(xiàn)接口電路部分與射頻開(kāi)關(guān)功能電路間采用排線(xiàn)連接，以下主要介紹射頻開(kāi)關(guān)功能電路部分PCB板的設(shè)計(jì)^[2]。

2.1 元器件的布局

電磁兼容性(EMC)是指電子系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境中按照設(shè)計(jì)要求能正常工作的能力。對(duì)于射頻電路PCB設(shè)計(jì)而言，電磁兼容性要求每個(gè)電路模塊盡量不產(chǎn)生電磁輻射，并且具有一定的抗電磁干擾能力。而元器件的布局直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力。也直接影響到所設(shè)計(jì)電路的性能。

布局總的原則：元器件應(yīng)盡可能同一方向排列，通過(guò)選擇PCB進(jìn)入熔錫系統(tǒng)的方向來(lái)減少甚至避免焊接不良的現(xiàn)象；元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿(mǎn)足元器件的熔錫要求，若PCB板的空間允許，元器件的間距應(yīng)盡可能寬。

元器件的合理布局也是合理布線(xiàn)的一個(gè)前提，因此應(yīng)該綜合考慮。在本設(shè)計(jì)中，繼電器是用于轉(zhuǎn)換射頻信號(hào)的通道，故應(yīng)將繼電器盡量貼近信號(hào)輸入端與輸出端，以此來(lái)盡量減短射頻信號(hào)線(xiàn)的走線(xiàn)長(zhǎng)度， 為下一步的合理布線(xiàn)做出考慮。

此外，本射頻開(kāi)關(guān)電路是由VXI總線(xiàn)控制，射頻信號(hào)對(duì)VXI總線(xiàn)控制信號(hào)的影響也是布局時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

2.2 布線(xiàn)

在基本完成元器件的布局后，就要開(kāi)始布線(xiàn)，布線(xiàn)的基本原則為：在組裝密度許可情況下，盡量選用低密度布線(xiàn)設(shè)計(jì)，并且信號(hào)走線(xiàn)盡量粗細(xì)一致，有利于阻抗匹配。

對(duì)于射頻電路，信號(hào)線(xiàn)的走向、寬度、線(xiàn)間距的不合理設(shè)計(jì)，可能造成信號(hào)傳輸線(xiàn)之間的交叉干擾；另外，系統(tǒng)電源自身還存在噪聲干擾，所以在設(shè)計(jì)射頻電路PCB時(shí)一定要綜合考慮，合理布線(xiàn)。

布線(xiàn)時(shí)，所有走線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離PCB板的邊框（2mm左右），以免PCB板制作時(shí)造成斷線(xiàn)或有斷線(xiàn)的隱患。電源線(xiàn)要盡可能寬，以減少環(huán)路電阻，同時(shí)，使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，以提高抗干擾能力。所布信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡可能短，并盡量減少過(guò)孔數(shù)目；各元器件間的連線(xiàn)越短越好，以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾； 對(duì)于不相容的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡量相互遠(yuǎn)離，而且盡量避免平行走線(xiàn)，而在正反兩面的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)相互垂直：布線(xiàn)時(shí)在需要拐角的地方應(yīng)以135度角為宜，避免拐直角。

本設(shè)計(jì)中，PCB板采用四層板，為減小射頻信號(hào)對(duì)VXI總線(xiàn)控制信號(hào)的影響，故將兩種信號(hào)走線(xiàn)分別放在中間兩層，且射頻信號(hào)線(xiàn)用接地過(guò)孔帶屏蔽^[3]。

2.3 電源線(xiàn)和地線(xiàn)

在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中的布線(xiàn)需要特別強(qiáng)調(diào)的是電源線(xiàn)與地線(xiàn)的正確布線(xiàn)。電源和地線(xiàn)方式的合理選擇是儀器可靠工作的重要保證。射頻電路的PCB板上相當(dāng)多的干擾源是通過(guò)電源和地線(xiàn)產(chǎn)生的，其中地線(xiàn)引起的噪聲干擾最大。根據(jù)PCB板電流的大小，電源線(xiàn)、地線(xiàn)線(xiàn)條設(shè)計(jì)的要盡量粗而短，減少環(huán)路電阻。同時(shí)使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在條件允許的情況下盡量采用多層板，四層板比雙面板噪聲低20dB，六層板又比四層板噪聲低10dB^[4]。

在本文設(shè)計(jì)的四層PCB板中，頂層和底層兩層均設(shè)計(jì)為地線(xiàn)層。這樣無(wú)論中間層哪一層為電源層，電源層和地線(xiàn)層這兩個(gè)層彼此靠近的物理關(guān)系，形成了一個(gè)很大的去耦電容，減少了地線(xiàn)所帶來(lái)的干擾。

地線(xiàn)層采用大面積鋪銅。大面積鋪銅主要有以下幾個(gè)作用：

(1)EMC.對(duì)于大面積的地或電源鋪銅，會(huì)起到屏蔽作用。

(2)PCB工藝要求。一般為了保證電鍍效果，或者層壓不變形，對(duì)于布線(xiàn)較少的PCB板層鋪銅。

(3)信號(hào)完整性要求，給高頻數(shù)字信號(hào)一個(gè)完整的回流路徑，并減少直流網(wǎng)絡(luò)的布線(xiàn)。

(4)散熱，特殊器件安裝要求鋪銅等等。

3 結(jié)論

VXI總線(xiàn)系統(tǒng)是一種在世界范圍內(nèi)完全開(kāi)放的、適用于多廠(chǎng)商的模塊化儀器總線(xiàn)系統(tǒng)，是目前世界上最新的儀器總線(xiàn)系統(tǒng)。本文主要介紹了基于VXI總線(xiàn)的射頻開(kāi)關(guān)模塊的研制。介紹了總線(xiàn)接口的設(shè)計(jì)以及射頻開(kāi)關(guān)模塊功能電路部分PCB板的設(shè)計(jì)。射頻開(kāi)關(guān)由VXI總線(xiàn)控制，增加了開(kāi)關(guān)操作的靈活性，使用方便。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用虛擬儀器思想，將硬件電路以軟件的方式實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的射頻開(kāi)關(guān)可以由計(jì)算機(jī)直接控制，可以很方便地與VXI總線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)集成，最大限度的發(fā)揮計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)在當(dāng)今測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。