RF 電路設計中的常見問題及解決方案

    單片射頻器件大大方便了一定範圍內無線通信領域的應用,採用合適的微控制器和天線並結合此收發器件即可構成完整的無線通信鏈路。它們可以集成在一塊很小的電路板上,應用於無線數字音頻、數字視頻數據傳輸系統,無線遙控和遙測系統,無線數據採集系統,無線網路以及無線安全防範系統等眾多領域。

1 　數字電路與模擬電路的潛在矛盾
    如果模擬電路(射頻) 和數字電路(微控制器) 單獨工作可能各自工作良好,但是一旦將兩者放在同一塊電路板上,使用同一個電源供電一起工作,整個系統很可能就會不穩定。這主要是因為數字信號頻繁的在地和正電源(大小3 V) 之間擺動,而且周期特別短,常常是ns 級的。由於較大的振幅和較小的切換時間,使得這些數字信號包含大量的且獨立於切換頻率的高頻成分。而在模擬部分,從天線調諧迴路傳到無線設備接收部分的信號一般小於1μV。因此數字信號與射頻信號之間的差別將達到10^-6(120 dB) 。顯然,如果數字信號與射頻信號不能很好的分離,微弱的射頻信號可能遭到破壞,這樣一來,無線設備工作性能就會惡化,甚至完全不能工作。

2 　RF 電路和數字電路做在同塊PCB 上的常見問題
    不能充分的隔離敏感線路和雜訊信號線是常常出現的問題。如上所述,數字信號具有高的擺幅並包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數字信號布線鄰近敏感的模擬信號,高頻諧波可能會耦合過去。RF 器件的最敏感節點通常為鎖相環( PLL) 的環路濾波電路,外接的壓控振蕩器(VCO) 電感,晶振基準信號和天線端子,電路的這些部分應該特別仔細處理。

(1) 供電電源雜訊
    由於輸入/ 輸出信號有幾V 的擺幅,數字電路對於電源雜訊(小於50 mV) 一般可以接受。而模擬電路對於電源雜訊卻相當敏感,尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。因此,在包含RF(或其他模擬) 電路的PCB 板上的電源線布線必須比在普通數字電路板上布線更加仔細,應避免採用自動布線。同時也應注意到,微控制器(或其他數字電路) 會在每個內部時鐘周期內短時間突然吸入大部分電流,這是由於現代微控制器都採用CMOS 工藝設計。因此,假設一個微控制器以1 MHz 的內部時鐘頻率運行,它將以此頻率從電源提取(脈衝) 電流,如果不採取合適的電源去耦,必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達電路RF 部分的電源引腳,嚴重的可能導致工作失效,因此必須保證將模擬電源線與數字電路區域隔開。

(2) 不合理的地線
    RF 電路板應該總是布有與電源負極相連的地線層,如果處理不當,可能產生一些奇怪的現象。對於一個數字電路設計者來說這也許難於理解,因為即使沒有地線層,大多數數字電路功能也表現良好。而在RF 頻段,即使一根很短的線也會如電感一樣作用。粗略計算,每mm 長度的電感量約為1 nH , 434 MHz 時10 mmPCB 線路的感抗約為27 Ω。如果不採用地線層,大多數地線將會較長,電路將無法保證設計特性。

(3) 天線對其他模擬部分的輻射
    在包含射頻和其他部分的電路中,這一點經常被忽略。除了RF 部分,板上通常還有其他模擬電路。例如,許多微控制器內置模數轉換器(ADC) 用於測量模擬輸入以及電池電壓或其他參數。如果射頻發送器的天線位於此PCB 附近(或就在此PCB 上) ,發出的高頻信號可能會到達ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線路都可能如天線一樣發出或接收RF 信號。如果ADC 輸入端處理不合理,RF 信號可能在ADC 輸入的ESD 二極體內自激,從而引起ADC 的偏差。

3 　RF 電路和數字電路做在同塊PCB 上的解決方案
    以下給出在大多數RF 應用中的一些通用設計和布線策略。然而,遵循實際應用中RF 器件的布線建議更為重要。
(1) 一個可靠的地線層面
    當設計有RF 元件的PCB 時,應該總是採用一個可靠的地線層。其目的是在電路中建立一個有效的0 V 電位點,使所有的器件容易去耦。供電電源的0 V 端子應直接連接在此地線層。由於地線層的低阻抗,已被去耦的兩個節點間將不會產生信號耦合。對於板上多個信號幅值可能相差120 dB ,這一點非常重要。在表面貼裝的PCB 上,所有信號布線在元件安裝面的同一面,地線層則在其反面。理想的地線層應覆蓋整個PCB ( 除了天線PCB 下方) 。如果採用兩層以上的PCB ,地線層應放置在鄰近信號層的層上(如元件面的下一層) 。另一個好方法是將信號布線層的空餘部分也用地線平面填充,這些地線平面必須通過多個過孔與主地線層面連接。需要注意的是:由於接地點的存在會引起旁邊的電感特性改變,因此選擇電感值和布置電感是必須仔細考慮的。

(2) 縮短與地線層的連接距離
    所有對地線層的連接必須盡量短,接地過孔應放置在(或非常接近) 元件的焊盤處。決不要讓兩個地信號共用一個接地過孔,這可能導致由於過孔連接阻抗在兩個焊盤之間產生串擾。

(3) RF 去耦
    去耦電容應該放置在儘可能靠近引腳的位置,每個需要去耦的引腳處都應採用電容去耦。採用高品質的陶瓷電容,介電類型最好是" NPO" , " X7R" 在大多數應用中也能較好工作。理想的選擇電容值應使其串聯諧振等於信號頻率。例如434 MHz 時,SMD 貼裝的100 p F 電容將良好工作,此頻率時,電容的容抗約為4 Ω,過孔的感抗也在同樣範圍。串聯的電容和過孔對於信號頻率形成一個陷波濾波器,使之能有效的去耦。868 MHz 時,33 p F 電容是一個理想的選擇。除了RF 去耦的小值電容,一個大值電容也應放置在電源線路上去耦低頻,可選擇一個2. 2 μF陶瓷或10μF 的鉭電容。

(4) 電源的星形布線
    星形布線是模擬電路設計中眾所周知的技巧(如圖1所示) 。星形布線———電路板上各模塊具有各自的來自公共供電電源點的電源線路。在這種情況下,星形布線意味著電路的數字部分和RF 部分應有各自的電源線路,這些電源線應在靠近IC 處分別去耦。這是一個隔開來自數字
部分和來自RF 部分電源雜訊的有效方法。如果將有嚴重雜訊的模塊置於同一電路板上,可以將電感(磁珠) 或小阻值電阻(10 Ω) 串聯在電源線和模塊之間,並且必須採用至少10 μF 的鉭電容作這些模塊的電源去耦。這樣的模塊如RS 232 驅動器或開關電源穩壓器。
 
圖1 　電源的星形布線
(5) 合理安排PCB 布局
    為減小來自雜訊模塊及周邊模擬部分的干擾,各電路模塊在板上的布局是重要的。應總是將敏感的模塊( RF部分和天線) 遠離雜訊模塊(微控制器和RS 232 驅動器)以避免干擾。

(6) 屏蔽RF 信號對其他模擬部分的影響
    如上所述,RF 信號在發送時會對其他敏感模擬電路模塊如ADC 造成干擾。大多數問題發生在較低的工作頻段(如27 MHz) 以及高的功率輸出水平。用RF 去耦電容(100p F) 連接到地來去耦敏感點是一個好的設計習慣。

(7) 在板環形天線的特別考慮
    天線可以整體做在PCB 上。對比傳統的鞭狀天線,不僅節省空間和生產成本,機構上也更穩固可靠。慣例中,環形天線(loop antenna) 設計應用於相對較窄的帶寬,這有助於抑制不需要的強信號以免干擾接收器。應注意到環形天線(正如所有其他天線) 可能收到由附近雜訊信號線路容性耦合的雜訊。它會幹擾接收器,也可能影響發送器的調製。因此在天線附近一定不要布數字信號線路,並建議在天線周圍保持自由空間。接近天線的任何物體都將構成調諧網路的一部分,而導致天線調諧偏離預想的頻點,使收發輻射範圍(距離) 減小。對於所有的各類天線必須注意這一事實,電路板的外殼(外圍包裝) 也可能影響天線調諧。同時應注意去除天線面積處的地線層面,否則天線不能有效工作。

(8) 電路板的連接
    如果用電纜將RF 電路板連接到外部數字電路,應使用雙絞線纜。每一根信號線必須和GND 線雙絞在一起(DIN/ GND , DOUT/ GND , CS/ GND , PWR _ UP/ GND) 。切記將RF 電路板和數字應用電路板用雙絞線纜的GND線連接起來,線纜長度應盡量短。給RF 電路板供電的線路也必須與GND 雙絞(VDD/ GND) 。

4 　結論
    迅速發展的射頻集成電路為從事無線數字音頻、視頻數據傳輸系統,無線遙控、遙測系統,無線數據採集系統,無線網路以及無線安全防範系統等設計的工程技術人員解決無線應用的瓶頸提供了最大的可能。同時,射頻電路的設計又要求設計者具有一定的實踐經驗和工程設計能力。本文是筆者在實際開發中總結的經驗,希望可以幫助眾多射頻集成電路開發者縮短開發周期,避免走不必要的彎路,節省人力和財力。