射頻(RF)電路的電路板布局應(yīng)在理解電路板結(jié)構(gòu)、電源布線和接地的基本原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本文探討了相關(guān)的基本原則，并提供了一些實(shí)用的、經(jīng)過驗(yàn)證的電源布線、電源旁路和接地技術(shù)，可有效提高RF設(shè)計的性能指標(biāo)。考慮到實(shí)際設(shè)計中PLL雜散信號對于電源耦合、接地和濾波器
射頻(RF)電路的電路板布局應(yīng)在理解電路板結(jié)構(gòu)、電源布線和接地的基本原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本文探討了相關(guān)的基本原則，并提供了一些實(shí)用的、經(jīng)過驗(yàn)證的電源布線、電源旁路和接地技術(shù)，可有效提高RF設(shè)計的性能指標(biāo)。考慮到實(shí)際設(shè)計中PLL雜散信號對于電源耦合、接地和濾波器元件的位置非常敏感，本文著重討論了有關(guān)PLL雜散信號抑制的方法。為便于說明問題，本文以MAX2827 802.11a/g收發(fā)器的PCB布局作為參考設(shè)計。
圖1：星型拓?fù)涞腣cc布線。
設(shè)計RF電路時，電源電路的設(shè)計和電路板布局常常被留到了高頻信號通路的設(shè)計完成之后。對于沒有經(jīng)過認(rèn)真考慮的設(shè)計，電路周圍的電源電壓很容易產(chǎn)生錯誤的輸出和噪聲，這會進(jìn)一步影響到RF電路的性能。合理分配PCB的板層、采用星型拓?fù)涞腣cc引線，并在Vcc引腳加上適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙荩瑢⒂兄诟纳葡到y(tǒng)的性能，獲得最佳指標(biāo)。
電源布線和旁路的基本原則
明智的PCB板層分配便于簡化后續(xù)的布線處理，對于一個四層PCB板(WLAN中常用的電路板)，在大多數(shù)應(yīng)用中用電路板的頂層放置元器件和RF引線，第二層作為系統(tǒng)地，電源部分放置在第三層，任何信號線都可以分布在第四層。第二層采用連續(xù)的地平面布局對于建立阻抗受控的RF信號通路非常必要，它還便于獲得盡可能短的地環(huán)路，為第一層和第三層提供高度的電氣隔離，使得兩層之間的耦合最小。當(dāng)然，也可以采用其它板層定義的方式(特別是在電路板具有不同的層數(shù)時)，但上述結(jié)構(gòu)是經(jīng)過驗(yàn)證的一個成功范例。
圖2：不同頻率下的電容阻抗變化。
大面積的電源層能夠使Vcc布線變得輕松，但是，這種結(jié)構(gòu)常常是引發(fā)系統(tǒng)性能惡化的導(dǎo)火索，在一個較大平面上把所有電源引線接在一起將無法避免引腳之間的噪聲傳輸。反之，如果使用星型拓?fù)鋭t會減輕不同電源引腳之間的耦合。圖1給出了星型連接的Vcc布線方案，該圖取自MAX2826 IEEE 802.11a/g收發(fā)器的評估板。圖中建立了一個主Vcc節(jié)點(diǎn)，從該點(diǎn)引出不同分支的電源線，為RF IC的電源引腳供電。每個電源引腳使用獨(dú)立的引線在引腳之間提供了空間上的隔離，有利于減小它們之間的耦合。另外，每條引線還具有一定的寄生電感，這恰好是我們所希望的，它有助于濾除電源線上的高頻噪聲。
使用星型拓?fù)銿cc引線時，還有必要采取適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ睿ヱ铍娙荽嬖谝欢ǖ募纳姼小Ｊ聦?shí)上，電容等效為一個串聯(lián)的RLC電路，電容在低頻段起主導(dǎo)作用，但在自激振蕩頻率(SRF)：
之后，電容的阻抗將呈現(xiàn)出電感性。由此可見，電容器只是在頻率接近或低于其SRF時才具有去耦作用，在這些頻點(diǎn)電容表現(xiàn)為低阻。圖2給出了不同容值下的典型S11參數(shù)，從這些曲線可以清楚地看到SRF，還可以看出電容越大，在較低頻率處所提供的去耦性能越好(所呈現(xiàn)的阻抗越低)。
在Vcc星型拓?fù)涞闹鞴?jié)點(diǎn)處最好放置一個大容量的電容器，如2.2μF。該電容具有較低的SRF，對于消除低頻噪聲、建立穩(wěn)定的直流電壓很有效。IC的每個電源引腳需要一個低容量的電容器(如10nF)，用來濾除可能耦合到電源線上的高頻噪聲。對于那些為噪聲敏感電路供電的電源引腳，可能需要外接兩個旁路電容。例如：用一個10pF電容與一個10nF電容并聯(lián)提供旁路，可以提供更寬頻率范圍的去耦，盡量消除噪聲對電源電壓的影響。每個電源引腳都需要認(rèn)真檢驗(yàn)，以確定需要多大的去耦電容以及實(shí)際電路在哪些頻點(diǎn)容易受到噪聲的干擾。
良好的電源去耦技術(shù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腜CB布局、Vcc引線(星型拓?fù)?相結(jié)合，能夠?yàn)槿魏蜶F系統(tǒng)設(shè)計奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。盡管實(shí)際設(shè)計中還會存在降低系統(tǒng)性能指標(biāo)的其它因素，但是，擁有一個“無噪聲”的電源是優(yōu)化系統(tǒng)性能的基本要素。
圖3：過孔的電特性模型。
接地和過孔設(shè)計
地層的布局和引線同樣是WLAN電路板設(shè)計的關(guān)鍵，它們會直接影響到電路板的寄生參數(shù)，存在降低系統(tǒng)性能的隱患。RF電路設(shè)計中沒有唯一的接地方案，設(shè)計中可以通過幾個途徑達(dá)到滿意的性能指標(biāo)。可以將地平面或引線分為模擬信號地和數(shù)字信號地，還可以隔離大電流或功耗較大的電路。根據(jù)以往WLAN評估板的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，在四層板中使用單獨(dú)的接地層可以獲得較好的結(jié)果。憑借這些經(jīng)驗(yàn)性的方法，用地層將RF部分與其它電路隔離開，可以避免信號間的交叉干擾。如上所述，電路板的第二層通常作為地平面，第一層用于放置元件和RF引線。
接地層確定后，將所有的信號地以最短的路徑連接到地層非常關(guān)鍵，通常用過孔將頂層的地線連接到地層，需要注意的是，過孔呈現(xiàn)為感性。圖3所示為過孔精確的電氣特性模型，其中Lvia為過孔電感，Cvia為過孔PCB焊盤的寄生電容。如果采用這里所討論的地線布局技術(shù)，可以忽略寄生電容。一個1.6mm深、孔徑為0.2mm的過孔具有大約0.75nH的電感，在2.5GHz/5.0GHz WLAN波段的等效電抗大約為12Ω/24Ω。因此，一個接地過孔并不能夠?yàn)镽F信號提供真正的接地，對于高品質(zhì)的電路板設(shè)計，應(yīng)該在RF電路部分提供盡可能多的接地過孔，特別是對于通用的IC封裝中的裸露接地焊盤。不良的接地還會在接收前端或功率放大器部分產(chǎn)生有害的輻射，降低增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)。還需注意的是，接地焊盤的不良焊接會引發(fā)同樣的問題。除此之外，功率放大器的功耗也需要多個連接地層的過孔。
圖4. 以MAX2827參考設(shè)計板為例的PLL濾波器元件布局。
濾除其它級電路的噪聲、抑制本地產(chǎn)生的噪聲，從而消除級與級之間通過電源線的交叉干擾，這是Vcc去耦帶來的好處。如果去耦電容使用了同一接地過孔，由于過孔與地之間的電感效應(yīng)，這些連接點(diǎn)的過孔將會承載來自兩個電源的全部RF干擾，不僅喪失了去耦電容的功能，而且還為系統(tǒng)中的級間噪聲耦合提供了另外一條通路。
