高頻電路用電路板設計技術

    設計高頻電路用電路板有許多注意事項，尤其是GHz等級的高頻電路，更需要注意各電子組件pad與印刷pattern的長度對電路特性所造成的影響。最近幾年高頻電路與數字電路共享相同電路板，構成所謂的混載電路系統似乎有增加的趨勢，類似如此的設計經常會造成數字電路動作時，高頻電路卻發生動作不穩定等現象，其中原因之一是數字電路產生的噪訊，影響高頻電路正常動作所致。為了避免上述問題除了設法分割兩電路block之外，設計電路板之前充分檢討設計構想，才是根本應有的手法，基本上設計高頻電路用電路板必需掌握下列三大原則:

1. 高質感。
2. 不可取巧。
3. 不可倉促搶時間。

設計高頻電路板的基本常識
(a)印刷pattern的長度會影響電路特性。
尤其是傳輸速度為GHz高速數字電路的傳輸線路，通常會使用strip line，同時藉由調整配線長度補正傳輸延遲時間，其實這也意味著電子組件的設置位置對電路特性具有絕對性的影響。
(b)Ground作大better。
銅箔面整體設置ground層，而連接via的better ground則是高頻電路板與高速數字電路板共同的特徵，此外高頻電路板最忌諱使用幅寬細窄的印刷pattern描繪ground。
(c)電子組件的ground端子，以最短的長度與電路板的ground連接。
具體方法是在電子組件的ground端子pad附近設置via，使電子組件能以最短的長度與電路板的ground連接。
(d)信號線作短配線設計。
不可任意加大配線長度，盡量縮短配線長度。
(e)減少電路之間的結合。
尤其是filter與amplifier輸出入之間作電路分割非常重要，它相當於audio電路的cross talk對策。

高頻電路板的設計步驟

1. 根據外框尺寸的限制，決定電路板的大小。
2. 製作印刷電路板外形，與library的data。
3. 決定高頻電路單元與信號處理單元的封裝位置。
   基本上高頻電路單元與模擬/數字信號處理單元必需分開封裝，分割方式有兩種分別如下:
   (a).將電路板正面與反面的的高頻電路單元與數字信號處理單元分開，主要原因是數字電路的噪訊很容易流入高頻電路單元，高頻電路單元的背面設置數字電路時，必需避免兩者的封裝在相同角落上。
   (b).將電路板對分成高頻電路單元與數字信號處理單元各佔一半的場合，高頻電路單元的控制信號線迴繞長度如果過過長時，很容易受到數字電路噪訊的影響
4. 電路板設置電子組件。
   組件設置作業對設計高頻電路板而言具有決定性的影響，尤其是包含ground via與連接via的面積，以及如何確保電子組件之間的space等設計非常的重要，例如電子組件之間的space設計不當的話，將招致無法設置ground via，以及無法連接via等嚴重後果，也就是說電子組件的配置是否適宜，會使高頻電路的性能產生重大變化。
5. 設計配線
   除了印刷pattern的配線之外，同時還需要調整line的阻抗(impedance)，並設置ground via。
6. 檢查配線
   完成電路板data之後必需檢查設計規範(rule)，尤其是檢查print out的配線是否有任何設計上的疏失，如果電路板有正、反面辨識上的需求時，可提出數據數據要求廠商製作。

設計高頻電路板的四大要訣
 (一)利用印刷pattern取代被動電子組件的功能
    照片1是1.5GHz RF增幅器電路板封裝后的外觀；
 
照片1 高頻電路板利用印刷pattern，取代被動電子組件設計實例
    圖1是RF增幅器的電路layout圖。
 
圖1 照片1的1.5GHz RF增幅器電路圖
    該電路的噪訊值為0.6～0.7dB，電路板中央部位附近設有富士通編號為FHC30 FA的HEMT(High Electron Mobility Transistor)電子組件。圖1中的MS組件是表示micro strip，由於電容與線圈的功能可利用micro strip實現，因此該電路並未使用被動電子組件。例如照片1之中與HEMT gate垂直延伸的印刷pattern (簡稱為open stub)，就可發揮電容的功能。此外基於增幅器的穩定性必需取得等化，因此input電路整合ГOPT (NF最小點)，output電路的阻抗(impedance)則作50Ω的設計整合。由於整合用的device也是用印刷pattern形成，所以實際設計電路板時必需將長度與寬度作嚴謹的配合。
　
(二)電子組件沿著信號傳輸方向排列，降低配線長度
    照片2是800MHz RF增幅器電路板封裝后的外觀；
 
照片2 電子組件沿著信號傳輸方向排列，降低配線長度的設計實例
    圖2是RF增幅器的電路layout圖。
 
圖2 照片2的800MHz RF增幅器電路圖
    圖2中的低噪訊Transistor電子組件使用NEC的2SC5185，由可知照片2電子組件沿著信號傳輸方向排列，藉此降低配線長度。

(三)Emitter 端子附近設置ground via
    如照片2所示高頻Transistor組件2SC5185兩個Emitter具有四隻腳(pin)，由照片可看見Emitter端子，pad的附近設有ground via，此種結構一般稱為mini mo del type。如果via遠離pad，增幅器的特性就會產生巨大變化，嚴重時甚至無法獲得模擬分析預期的等化與阻抗(impedance)特性。從Emitter端子到via的配線，可因micro strip line的結構而產生組件特性，有關它的影響力將在後述章節中會以模擬分析方式深入探討。總而言之在高頻電路板，電子組件ground的處理非常重要。

(四)發熱電子組件可利用ground面與金屬框體散熱
    照片3是800MHz RF送信機後段電路板封裝后的外觀。
 
照片3 800MHz RF送信機後段，電路板增加散熱用via的設計實例
    由照片可看見FET的source端子附近設有許多與ground層連接的via，這些via除了可以用低阻抗與ground層連接之外，還可將高頻電路的送信單元產生的熱能排除進而獲得散熱效果。這種散熱方法尤其是對不易將發熱組件的熱能排除時，可透過電路板的ground銅箔面，將熱能導至金屬筐體協助散熱，如果?是為了散熱，銅箔必需有70～100μm的厚度才能發揮預期的散熱效果，因此電路板上的銅箔被視為有效的散熱對策之一。