什么是射频电路设计?

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数字系统设计人员可能熟悉一些 RF 组件和布线样式,但 RF 电路设计还有更多内容。射频电路可以包括集成电路、分立半导体和印刷射频元件,它们一起工作以产生所需的功能。射频电路设计涉及结合所有这些元素来构建整个系统并创建 PCB 布局。
 
射频电路不像典型电路图那样直观,有时图可能会违反基本的电气设计规则。然而,由于电磁场的传播特性,在射频频率下运行的电路与在直流或数字频带下运行的典型集成电路的行为非常不同。无论您是在设计无线通信系统,还是只需要设计具有特定阻抗的传输线,请注意微波工程的这些基础知识。
 
人们经常开玩笑说,集成电路和 PCB 的射频 (RF) 设计是您只需要知道才能通过大学资格考试的知识。然而,当今的许多专用产品将需要使用混合信号组件、集成无线通信模块或支持雷达等高频应用。RF 设计现在重新成为主流,不熟悉 RF 设计的设计师应该阅读本指南以提高他们的技能。
 
射频电路设计导论
射频电路旨在通过使用电路板上的印刷元件构建结构来模仿标准电路元件和一些简单的集成电路。RF 电路可能看起来有点陌生,因为它们并不总是使用现成的组件。相反,RF 电路可以使用 PCB 上的印刷迹线和一些附加组件在电路板上提供所需的功能。
 
印刷射频电路
射频电路板的印刷部分将使用铜迹线来构建电路元件。射频电路中的微带线、电容器或电感器元件以及半导体的布置可能看起来不直观,但它们利用电磁场中的传播行为来产生所需的电气行为。关于 RF 电路设计,以及 PCB 上的 RF 电路在电气上的行为方式,需要记住一些重要的概念点:
 
无源性:所有印刷射频电路都是无源的,除非在设计中添加了有源现成组件。然而,对完全由印刷迹线构建的有源射频组件进行了研究。
 
线性:由印刷迹线构成的射频电路始终是线性的,这意味着电压和电流通过线性函数相关(图表上的直线)。只有在电路中添加非线性半导体元件(例如二极管)时,这些电路才会变为非线性。
 
传播:所有射频电路都利用波传播。这意味着在确定如何匹配电路周围的阻抗以及如何在射频电路的不同部分之间创建接口时,需要使用输入阻抗。
 
信号完整性: RF 信号完整性依赖于电磁屏蔽和隔离,因为 RF 信号需要尽可能无噪声。已经设计了许多独特的屏蔽结构和布局技术,以帮助在射频系统中提供所需的屏蔽和隔离。
 
有源射频电路
有源射频电路可以包括从振荡器到驱动放大器、ADC 和收发器的任何东西。除了印刷迹线之外,还可以使用这些组件来提供附加功能。许多雷达模块、无线系统、放大器和电信组件将使用有源组件和无源电路来路由射频信号并提供所需的信号传播行为。信号采样、操纵和处理由有源组件执行,这些组件还可以提供返回数字系统的接口。
 
这些组件还可以提供返回数字系统的接口。
 
版图规划
就像高速数字 PCB 一样,成功的射频电路设计依赖于构建可以支持射频电路的 PCB 叠层。叠层的设计应使射频元件具有所需的特性阻抗,尽管系统的阻抗将是射频电路布局和布线的更复杂的函数。此外,您的电路板工作的相关频率将决定应如何构建叠层、您可能需要哪种类型的印刷电路以及您可以使用哪些射频组件。RFIC 设计遵循许多与 RF PCB 设计相同的理念,掌握这些概念将帮助您在 RF 设计的任何领域取得成功。
 
射频电路板材料
FR4 材料适用于工作在 WiFi 频率 (~6 GHz) 的射频传输线和互连。除了这些频率之外,RF 工程师还建议使用替代材料来支持 RF 信号传播和印刷 RF 电路设计。标准 FR4 层压板使用树脂填充的玻璃纤维编织物来固定组件,但如果制造程序未正确指定,某些材料中的这些纤维编织效果可能会产生信号和电源完整性问题。
 
替代材料系统使用基于 PTFE 的层压板和粘合层材料将 PTFE 层与 PCB 叠层中的下一层粘合。这些材料的损耗角正切低于 FR4 材料,因此信号可以传播更远而不会衰减,并且仍然在可接受的范围内。这些层压板应形成支持高频射频传输线(如 77 GHz 雷达)或低频极长互连(如 6 GHz WiFi)的基板。下表总结了常见射频 PCB 材料的一些重要材料特性。
 
下表总结了常见射频 PCB 材料的一些重要材料特性。
 
采用射频材料的 PCB 叠层
一旦您为您的射频设计选择了层压板和粘合层材料,就可以将它们添加到您的叠层中了。虽然您可以使用 RF 材料构建整个多层 PCB 叠层,但通常不需要并且可能过于昂贵。一种选择是构建混合叠层,其中射频层压板放置在顶层以支持射频传输线和电路,内部层用于支持接地层、数字信号路由和电源。对面层还可以支持需要与射频前端接口的数字组件、用于收集射频信号的任何 ADC 或其他组件。
 
用于收集射频信号的任何 ADC 或其他组件。
 
如果您的 RF PCB 布局中不需要数字部分,您可以使用具有标准或接近标准厚度的 RF 层压板的 2 层或 3 层 PCB。一旦确定了 PCB 层厚度和材料系统,就需要确定 RF 走线的阻抗。
 
计算射频走线阻抗
确定叠层后,您需要计算 PCB 上导体的宽度,以在您的射频电路中产生所需的阻抗(通常为 50 欧姆)。使用称为保形映射的技术导出的一些公式可以关联走线的阻抗及其尺寸。目前,寻找公式以计算具有复介电常数的迹线阻抗的最佳资源是 Brian C. Waddell 的传输线设计手册。但是,这些公式无法求解特定宽度,因此需要一种数值技术来确定传输线具有特定阻抗所需的宽度。
 
对于更复杂的布置,例如偏移带状线或波导,更好的选择是使用带有集成场求解器的叠层设计工具。这些实用程序可以考虑铜的粗糙度、制造过程中的锥度、差分布线安排以及层间走线的位置。它们也很容易在您的 PCB 设计软件中使用。
 
它们也很容易在您的 PCB 设计软件中使用。
 
一旦您知道了互连的阻抗,您仍然需要通过查看反射仿真结果或查看数据表来确定阻抗匹配要求。对于印刷射频电路中使用的传输线,不同传输线部分的输入阻抗用于确定给定电路的阻抗匹配。如果您在射频电路中连接传输线和组件,则在设计射频组件和阻抗匹配网络时需要包括输入阻抗。
 
常见的射频电路设计
在设计射频电路(尤其是无源射频电路)之前设计 PCB 叠层非常重要,因为它们需要达到特定的阻抗目标才能正常工作。此外,印刷射频电路利用传输线上的电磁场传播,传播行为将取决于基板材料的介电功能。一旦确定了这些细节,您就可以开始设计您的射频电路并为您的系统选择其他组件。
 
印刷射频电路是通过计算用于 PCB 上特定结构的传输线部分来设计的。您的传输线设计将传播波引导到组件,同时还提供衰减、放大、滤波、谐振和发射等行为(例如,作为天线)。通常需要在短截线、与组件的接口和天线处进行阻抗转换,以克服射频信号在传播时看到的阻抗失配。产生这些功能的各种印刷结构在许多教科书中都是众所周知的。
 
射频电路和 PCB 中使用的一些结构和组件包括:
 
无源和有源滤波器
 
衰减器
 
循环器
 
放大器
 
射频功率分配器、分配器和组合器
 
天线
 
谐振器
 
波导腔
 
添加其他组件后,您需要先创建电路原理图,然后才能开始布局。在原理图中放置射频电路的过程与用于数字系统的过程相同。电路仿真在前端射频工程中也很重要,因为您需要在创建 PCB 布局之前评估系统的电气功能。这通常在您的设计中使用 SPICE 仿真来执行,您的电路板中的印刷元素定义为 SPICE 中的传输线对象。最好的原理图编辑器将包括传输线对象,以允许您准确地模拟电路板中的电磁行为。
 
射频电路布局工具
一旦您的射频电路设计完成并在您所需的频率范围内通过电路仿真工具,就可以进行物理布局了。RF PCB 设计人员通常需要采用机械方法来仔细设计其 RF 互连,同时还要遵守标准的高频设计规则,例如最小化过孔和走线长度。任何出现在 PCB 上的高频电路都需要设计成满足阻抗目标和几何公差,因此您的 CAD 工具需要与您的电气设计规则相结合,以确保符合这些目标。
 
如果您还有必须与 RF 电路连接的数字组件,则需要使用相同的工具集将它们放置在 PCB 布局中。仔细放置和适当的叠层设计将有助于防止干扰高频电路和射频信号收集。原生 3D 设计工具在这里也很有帮助,因为一些射频系统是多板系统,在准备制造之前需要检查整个组件。
 
在准备制造之前需要检查整个组件
 
当您需要构建同时保持信号完整性的高级射频系统时,您需要一整套电路仿真工具、PCB 布线和布局工具以及层堆栈设计工具来帮助您达到阻抗目标。无论您是需要设计用于信号采集的低噪声放大器、用于广播信号的 RF 功率放大器,还是需要具有独特走线和过孔结构的复杂互连,最佳 PCB 布局工具都将帮助您在创建 RF PCB 布局时保持灵活性。
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