RF與數(shù)模電路的PCB設(shè)計之魅

　　如何將RF與數(shù)模電路設(shè)計在同一PCB上？

　　手持無線通信設(shè)備和遙控設(shè)備的普及推動著對模擬、數(shù)字和RF混合設(shè)計需求的顯著增長。手持設(shè)備、基站、遙控裝置、藍(lán)牙設(shè)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(shù)。

　　數(shù)年來，RF設(shè)計需要專業(yè)設(shè)計人員使用專門的設(shè)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(shè)計好后，再與混合技術(shù) 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(shù)整合在一起，常常需要反復(fù)設(shè)計，還需要用到多個互不相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。

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

　　在這一舊的方法下，RF設(shè)計師孤立于PCB系統(tǒng)設(shè)計中的其他部分進(jìn)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(shè)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(shè)計必須在獨立的RF解決方案中修正，然后再重新翻譯進(jìn)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(chǎn)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(shè)計，但隨著產(chǎn)品中RF電路含量的增加，兩個獨立設(shè)計系統(tǒng)帶來的問題已開始影響設(shè)計師的生產(chǎn)力、產(chǎn)品上市時間和產(chǎn)品的質(zhì)量。

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

　　RF感知（RF aware）PCB設(shè)計

　　為保持PCB和RF設(shè)計間的設(shè)計意圖，RF設(shè)計工具必須理解PCB布局中面向?qū)樱╨ayer-oriented）的結(jié)構(gòu)，而PCB系統(tǒng)也必須理解RF設(shè)計環(huán)境中使用的參數(shù)化平面微波元件。

　　另一個關(guān)鍵問題是，PCB系統(tǒng)將RF電路的版圖構(gòu)建成短路電路，這妨礙了對設(shè)計進(jìn)行正確的設(shè)計規(guī)則檢驗（DRC）。對當(dāng)今的復(fù)雜RF系統(tǒng)設(shè)計來說，功能上的RF感知DRC是設(shè)計方法學(xué)確保設(shè)計正確所必須的。

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

　　RF設(shè)計是個反復(fù)的過程，需要采取很多步驟對設(shè)計進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。過去，在真實的PCB設(shè)計背景下，進(jìn)行RF設(shè)計非常困難。當(dāng)當(dāng)在PCB上實現(xiàn)經(jīng)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(jìn)行電磁場分析（EM）。

　　這個設(shè)計流程存在好幾個問題。首先，電路被當(dāng)作簡單的金屬層幾何圖形進(jìn)行模擬，所以RF工具無法對金屬層進(jìn)行修改，無法把經(jīng)優(yōu)化的結(jié)果回送至PCB設(shè)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(shè)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(shè)計意圖。這意味著電路模擬（速度很快）和EM分析（當(dāng)需要時）可重復(fù)進(jìn)行，且可對每次電路修改的結(jié)果進(jìn)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(dǎo)線、過孔及其它元件。

　　RF PCB設(shè)計瓶頸

　　RF PCB設(shè)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(jīng)被一個獨立的RF設(shè)計小組設(shè)計出來，以及每個模塊可以獨立進(jìn)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(guān)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(jìn)行存取。為了解決這個問題，原理圖和版圖工具必須擴(kuò)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(jīng)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(dāng)?shù)?RF設(shè)計小組進(jìn)行分析。

　　下一個障礙是如何設(shè)計地平面。在傳統(tǒng)的設(shè)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(jīng)過每一個地層。當(dāng)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(yīng)新的電路。對某些設(shè)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(shè)計流程

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

　　這種設(shè)計需求催生出了一個基于網(wǎng)絡(luò)的工具間的通信，它在RF設(shè)計和系統(tǒng)級PCB設(shè)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(shè)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(shè)計工具來設(shè)計RF模塊，并在恰當(dāng)時候?qū)⑵渚C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(hù)可追溯性、版本管理和設(shè)計問題。因為設(shè)計意圖得以保全，所以可實施任意多次的設(shè)計反復(fù)，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(jìn)行模擬，所以應(yīng)該更詳盡地對其功能進(jìn)行驗證以幫助縮短設(shè)計周期。

　　最大程度降低PCB互連設(shè)計中RF效應(yīng)

　　電路板系統(tǒng)的互連包括：芯片到電路板、PCB板內(nèi)互連以及PCB與外部器件之間的三類互連。在RF設(shè)計中，互連點處的電磁特性是工程設(shè)計面臨的主要問題之一，本文介紹上述三類互連設(shè)計的各種技巧，內(nèi)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(shè)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(dá)到1GHz，甚至更高。這種高頻信號技術(shù)雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出毫米波技術(shù)范圍（30GHz），但的確也涉及RF和低端微波技術(shù)。

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

　　高回?fù)p有兩種負(fù)面效應(yīng)：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(zhì)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(chǎn)生的諧波會導(dǎo)致頻率越高信號越弱。盡管前向糾錯技術(shù)可以消除一些負(fù)面效應(yīng)，但是系統(tǒng)的部分帶寬用于傳輸冗余數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。一個較好的解決方案是讓RF效應(yīng)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?fù)p總值為-25dB，相當(dāng)于VSWR為1.1。

　　PCB設(shè)計的目標(biāo)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(shè)計的小型化。目前，解決串?dāng)_問題的主要方法是進(jìn)行接地層管理，在布線之間進(jìn)行間隔和降低引線電感（studcapacitance）。降低回?fù)p的主要方法是進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shè)計中，互連點處的電磁性質(zhì)是工程設(shè)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(nèi)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(jīng)面世。就芯片本身而言，其性能可靠，并且處理速率已經(jīng)能夠達(dá)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(jīng)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(dǎo)致PCB材料的基本結(jié)構(gòu)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(nèi)部的本地?zé)o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(yīng)用而言，IC設(shè)計技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于PCB設(shè)計技術(shù)。

　　二、PCB板內(nèi)互連

　　進(jìn)行高頻PCB設(shè)計的技巧和方法如下：

　　1. 傳輸線拐角要采用45°角，以降低回?fù)p（圖1）；

　　2. 要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴(yán)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(jìn)行有效管理。

　　3. 要完善有關(guān)高精度蝕刻的PCB設(shè)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(jìn)行管理并指定布線側(cè)壁電鍍條件。對布線（導(dǎo)線）幾何形狀和涂層表面進(jìn)行總體管理，對解決與微波頻率相關(guān)的趨膚效應(yīng)問題及實現(xiàn)這些規(guī)范相當(dāng)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(dǎo)致過孔處產(chǎn)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(jìn)行電鍍。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應(yīng)（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(dǎo)致微帶設(shè)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(shè)計的經(jīng)驗豐富的設(shè)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(shè)計比帶狀線設(shè)計更為經(jīng)濟(jì)，你可就此同他們進(jìn)行討論以便得到更好的建議。優(yōu)秀的工程師可能不習(xí)慣考慮成本問題，但是其建議也是相當(dāng)有幫助的?，F(xiàn)在要盡量對那些不熟悉RF效應(yīng)、缺乏處理RF效應(yīng)經(jīng)驗的年輕工程師進(jìn)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(jìn)計算機型，使之具備RF效應(yīng)處理能力。

　　三、PCB與外部裝置互連

　　現(xiàn)在可以認(rèn)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(yuǎn)端器件導(dǎo)線的信號輸入/輸出問題呢？同軸電纜技術(shù)的創(chuàng)新者TrompeterElectronics公司正致力于解決這個問題，并已經(jīng)取得一些重要進(jìn)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(zhuǎn)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(yīng)，需在設(shè)計時了解、預(yù)測并加以考慮。當(dāng)然，這種不匹配也會導(dǎo)致回?fù)p，必須最大程度減小這種不匹配以避免產(chǎn)生噪音和信號干擾。

　　電路板內(nèi)阻抗問題的管理并不是一個可以忽略的設(shè)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(jié)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(shè)計中面臨的主要問題。