RF電路設(shè)計(jì)中降低寄生信號(hào)途徑

RF電路板設(shè)計(jì)最重要的是不該有信號(hào)的地方要隔離信號(hào)，而該有信號(hào)的地方一定要獲得信號(hào)。這就要求我們有意識(shí)地采取措施，確保信號(hào)隔離于其路徑適當(dāng)?shù)牟课弧Ｒ粽{(diào)、信號(hào)、時(shí)鐘及其在電路板上任何地方生成的所有諧波都可能作為寄生信號(hào)混入輸出信號(hào)，甚至可能會(huì)進(jìn)入混頻器和轉(zhuǎn)換器進(jìn)而被轉(zhuǎn)換、反映并混淆為寄生信號(hào)。傳輸掩模（Transmit mask）要求表明即便最微小的寄生信號(hào)也會(huì)阻礙產(chǎn)品的發(fā)布。

　　寬帶器件支持軟件定義無(wú)線電（SDR）的這一當(dāng)前趨勢(shì)將進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)降低寄生信號(hào)的重要性。由于可部署統(tǒng)一信號(hào)平臺(tái)設(shè)計(jì)來(lái)滿足多種頻帶需求，因此插入式RF模塊可替代其中較多信號(hào)可能會(huì)相互干擾的較大電路板。包括大多數(shù)RF廠商評(píng)估板在內(nèi)的小型插入式RF模塊可以實(shí)現(xiàn)完全隔離，并具備優(yōu)異的寄生信號(hào)性能，但需要使用特殊設(shè)計(jì)方法。種種通孔、頂層布線、專用接地層等布局技術(shù)雖然能夠充分滿足小型RF電路板的需求，但可擴(kuò)展性較差。

　　RF布局要想降低寄生信號(hào)，就需要RF工程師發(fā)揮創(chuàng)造性，因?yàn)椴季止ぞ哚槍?duì)大規(guī)模布局進(jìn)行了優(yōu)化，但不一定適合電磁分析。布局和電路板評(píng)測(cè)過(guò)程中通常采用基本規(guī)則，但真正的測(cè)試是在電路板原型設(shè)計(jì)已經(jīng)完成并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候。電源電平與線性等基本電路板功能檢測(cè)完成之后，評(píng)估寄生信號(hào)性能將成為重點(diǎn)。在這一末期工作階段，寄生信號(hào)需要RF工程師發(fā)揮創(chuàng)造性，確定寄生信號(hào)的根源并找到解決辦法。但是，這種調(diào)試時(shí)間幾乎不可能預(yù)測(cè)和安排，而且解決問(wèn)題往往還需要使電路板運(yùn)行起來(lái)，這將會(huì)造成項(xiàng)目延誤，增加成本。

　　大多數(shù)RF工程師依據(jù)一些簡(jiǎn)單原理得出的基本規(guī)則可用于布局評(píng)測(cè)工作。記住以下這八條規(guī)則，不但有助于加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，而且還可提高工作日程的可預(yù)見(jiàn)性。

　　規(guī)則1：接地通孔應(yīng)位于接地參考層開(kāi)關(guān)處

　　流經(jīng)所布線路的所有電流都有相等的回流。耦合策略固然很多，不過(guò)回流通常流經(jīng)相鄰的接地層或與信號(hào)線路并行布置的接地。在參考層繼續(xù)時(shí)，所有耦合都僅限于傳輸線路，一切都非常正常。不過(guò)，如果信號(hào)線路從頂層切換至內(nèi)部或底層時(shí)，回流也必須獲得路徑。

　　圖1就是一個(gè)實(shí)例。頂層信號(hào)線路電流下面緊挨著就是回流。當(dāng)它轉(zhuǎn)移到底層時(shí)，回流就通過(guò)附近的通孔。不過(guò)，如果附近沒(méi)有用于回流的通孔時(shí)，回流就要通過(guò)最近可用的接地通孔。更遠(yuǎn)的距離會(huì)產(chǎn)生電流環(huán)路，形成電感器。如果這種不必要的電流路徑偏移，碰巧又同另一條線路交叉，那么干擾就會(huì)更嚴(yán)重。這種電流環(huán)路其實(shí)相當(dāng)于形成了一個(gè)天線！

　　圖1：信號(hào)電流從器件引腳經(jīng)過(guò)通孔流到較低層。回流在被迫流向最近通孔改變至不同參考層之前位于信號(hào)之下。

　　接地參考是最佳策略，但高速線路有時(shí)候可布置在內(nèi)部層上。接地參考層上下都放置非常困難，半導(dǎo)體廠商可能會(huì)受到引腳限制，把電源線安放在高速線路旁邊。參考電流要是需要在非DC耦合的各層或各網(wǎng)之間切換，應(yīng)緊挨著開(kāi)關(guān)點(diǎn)安放去耦電容。

　　規(guī)則2：將器件焊盤(pán)與頂層接地連接起來(lái)

　　許多器件在器件封裝底部都采用散熱接地焊盤(pán)。在RF器件上，這些通常都是電氣接地，而相鄰焊盤(pán)點(diǎn)有接地通孔陣列?？蓪⑵骷副P(pán)直接連接至接地引腳，并通過(guò)頂層接地連接至任何灌銅。如有多個(gè)路徑，回流會(huì)按路徑阻抗比例拆分。通過(guò)焊盤(pán)進(jìn)行接地連接相對(duì)于引腳接地而言，路徑更短、阻抗更低。

　　電路板與器件焊盤(pán)之間良好的電氣連接至關(guān)重要。裝配時(shí)，電路板通孔陣列中的未填充通孔也可能會(huì)抽走器件的焊膏，留下空隙。填滿通孔是保證焊接到位的好辦法。在評(píng)測(cè)中，還要打開(kāi)焊接掩模層確認(rèn)沒(méi)有焊接掩模在器件下方的電路板接地上，因?yàn)楹附友谀？赡軙?huì)抬高器件或使其搖擺。

　　規(guī)則3：無(wú)參考層間隙

　　器件周邊到處都是通孔。電源網(wǎng)分解成本地去耦，然后降至電源層，通常提供多個(gè)通孔以最大限度減少電感，提高載流容量，同時(shí)控制總線可降至內(nèi)層。所有這些分解最終都會(huì)在器件附近完全被鉗住。

　　每個(gè)這些通孔都會(huì)在內(nèi)接地層上產(chǎn)生大于通孔直徑自身的禁入?yún)^(qū)，提供制造空隙。這些禁入?yún)^(qū)很容易在回流路徑上造成中斷。一些通孔彼此靠近則會(huì)形成接地層溝，頂層CAD視圖看不見(jiàn)，這將導(dǎo)致情況進(jìn)一步復(fù)雜化。圖2兩個(gè)電源層通孔的接地層空隙可產(chǎn)生重疊的禁入?yún)^(qū)，并在返回路徑上造成中斷?；亓髦荒苻D(zhuǎn)道繞過(guò)接地層禁入?yún)^(qū)，形成現(xiàn)在常見(jiàn)的發(fā)射感應(yīng)路徑問(wèn)題。

　　圖2：通孔周圍接地層的禁入?yún)^(qū)可能重疊，迫使回流遠(yuǎn)離信號(hào)路徑。即便沒(méi)有重疊，禁入?yún)^(qū)也會(huì)在接地層形成鼠咬阻抗中斷。

　　甚至“友好型”接地通孔也會(huì)為相關(guān)金屬焊盤(pán)帶來(lái)電路板制造工藝要求的最小尺寸規(guī)格。通孔如果非?？拷盘?hào)線路，就會(huì)產(chǎn)生好像頂層接地空隙被老鼠咬掉一塊一樣的侵蝕。圖2是鼠咬示意圖。

　　由于禁入?yún)^(qū)由CAD軟件自動(dòng)生成，通孔在系統(tǒng)電路板上的使用又很頻繁，因此先期布局過(guò)程幾乎總會(huì)出現(xiàn)一些返回路徑中斷問(wèn)題。布局評(píng)測(cè)時(shí)要跟蹤每條高速線路，檢查相關(guān)回流層以避免中斷。讓所有可在任何區(qū)域產(chǎn)生接地層干擾的通孔更靠近頂層接地空隙是一個(gè)不錯(cuò)的方法。

　　規(guī)則4：保持差分線路的差分性

　　回流路徑對(duì)信號(hào)線路性能至關(guān)重要，其應(yīng)視為信號(hào)路徑的一部分。與此同時(shí)，差分對(duì)通常沒(méi)有緊密耦合，回流可能流經(jīng)相鄰層。兩個(gè)回流必須通過(guò)相等的電氣路徑布線。

　　即便在差分對(duì)的兩條線路不緊密耦合時(shí)，鄰近與共享型設(shè)計(jì)限制也會(huì)讓回流處于相同層。要真正保持低寄生信號(hào)，需要更好的匹配。差分組件下接地層的斷流器等任何計(jì)劃結(jié)構(gòu)都應(yīng)是對(duì)稱的。同樣，長(zhǎng)度是否匹配可能也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)線路中的波形曲線問(wèn)題?；亓鞑粫?huì)引起波形曲線問(wèn)題。一條差分線路的長(zhǎng)度匹配情況應(yīng)在其它差分線路中體現(xiàn)。

　　規(guī)則5：RF信號(hào)線路附近沒(méi)有時(shí)鐘或控制線路

　　時(shí)鐘和控制線路有時(shí)可視為沒(méi)什么影響的鄰居，因?yàn)槠涔ぷ魉俣鹊?，甚至接近DC。不過(guò)，其開(kāi)關(guān)特性幾乎接近方波，可在奇數(shù)諧波頻率下生成獨(dú)特的音調(diào)。方波發(fā)射能源的基本頻率雖然不會(huì)產(chǎn)生什么影響，但其銳利的邊緣可能會(huì)有影響。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)折頻率可估算必須要考慮的最高頻率諧波，計(jì)算方式為：Fknee=0.5/Tr，這里的Tr是上升時(shí)間。請(qǐng)注意，是上升時(shí)間，而不是信號(hào)頻率。不過(guò)銳利邊緣的方波也有強(qiáng)大的高階奇數(shù)諧波，其可能只在錯(cuò)誤頻率下下降并耦合在RF線路上，違反嚴(yán)格的傳輸掩模要求。

　　時(shí)鐘和控制線路應(yīng)由內(nèi)部接地層或頂層接地灌流（ground pour）與RF信號(hào)線路隔離。如果不能使用接地隔離信號(hào)，那么線路布線應(yīng)確保直角交叉。因?yàn)闀r(shí)鐘或控制線路發(fā)射的磁通線路會(huì)圍繞干擾源線路的電流形成放射柱形等高線，它們將不會(huì)在接收器線路中產(chǎn)生電流。放慢上升時(shí)間不但可降低轉(zhuǎn)折頻率，而且還有助于減少干擾源的干擾，但時(shí)鐘或控制線路也可充當(dāng)接收器線路。接收器線路仍可作為將寄生信號(hào)導(dǎo)入器件的導(dǎo)管。

　　規(guī)則6：使用接地隔離高速線路

　　微波傳輸帶與帶線大多數(shù)都與相鄰接地層耦合。一些通量線路仍沿水平方向散發(fā)，并端接于相鄰跡線。一條高速線路或差分對(duì)上的音調(diào)在下一條跡線上終結(jié)，但信號(hào)層上的接地灌流會(huì)為通量線路帶來(lái)較低阻抗的終點(diǎn)，讓鄰近跡線不受音調(diào)干擾。

　　時(shí)鐘分布或合成器設(shè)備路由出來(lái)、用于承載相同頻率的跡線集群可能相鄰而行，因?yàn)楦蓴_源音調(diào)已經(jīng)存在于接收器線路上。不過(guò)，分組的線路最終會(huì)分散。分散時(shí)，應(yīng)在分散線路之間提供接地灌流，并在其開(kāi)始分散的地方灌入通孔，以便感應(yīng)回流沿著額定回流路徑流回。在圖3中，接地島末端的通孔可使感應(yīng)電流流到參考層上。接地灌流上其它通孔之間的間隔不要超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)的十分之一，以確保接地不會(huì)成為共振結(jié)構(gòu)。

　　圖3：差分線路分散處的頂層接地通孔為回流提供流動(dòng)路徑

　　規(guī)則7：不要在噪聲較大的電源層進(jìn)行RF線路布線

　　音調(diào)進(jìn)入電源層就會(huì)擴(kuò)散到每個(gè)地方。如果雜散音調(diào)進(jìn)入電源、緩沖器、混頻器、衰減器和振蕩器，就會(huì)對(duì)干擾頻率進(jìn)行調(diào)制。同樣，當(dāng)電源到達(dá)電路板時(shí)，它還沒(méi)有徹底被清空而實(shí)現(xiàn)對(duì)RF電路系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。應(yīng)最大限度減少RF線路在電源層的暴露，特別是未過(guò)濾的電源層。

　　鄰近接地的大型電源層可創(chuàng)建高質(zhì)量嵌入式電容，使寄生信號(hào)衰減，并用于數(shù)字通信系統(tǒng)與某些RF系統(tǒng)。另一種方法是使用最小化電源層，有時(shí)更像是肥大跡線而不能說(shuō)是層，這樣RF線路更容易徹底避開(kāi)電源層。這兩種方法都可行，不過(guò)決不能將二者的最差特性湊在一起，也就是既使用小型電源層，又在頂部走線RF線路。

　　規(guī)則8：讓去耦靠近器件

　　去耦不僅有助于避免雜散噪聲進(jìn)入器件，還可幫助消除器件內(nèi)部生成的音調(diào)，避免其耦合到電源層上。去耦電容越靠近工作電路系統(tǒng)，效率就越高。本地去耦受電路板跡線的寄生阻抗干擾較小，較短的跡線支持較小的天線，減少有害音調(diào)發(fā)射。電容器安放要結(jié)合最高自共振頻率，通常最小值、最小外殼尺寸、最靠近器件，以及越大的電容器，離器件越遠(yuǎn)。在RF頻率下，電路板背面的電容器會(huì)產(chǎn)生通孔串連接地路徑的寄生電感，損失大量噪聲衰減優(yōu)勢(shì)。

　　總結(jié)

　　通過(guò)電路板布局評(píng)測(cè)，我們可發(fā)現(xiàn)可能發(fā)射或接收雜散RF音調(diào)的結(jié)構(gòu)。要跟蹤每一條線路，有意識(shí)地明確其回流路徑，確保它能夠與線路并行，特別是要徹底檢查過(guò)渡。此外，還要將潛在干擾源與接收器隔離。按照一些簡(jiǎn)單直觀的規(guī)則降低寄生信號(hào)，可加速產(chǎn)品發(fā)布，降低調(diào)試成本。