高頻PCB設(shè)計概要之一

美男子玩編程

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品搭載無線通訊功能是越來越普遍了，而無線通訊技術(shù)是依賴于PCB上的射頻電路來實現(xiàn)的，遺憾的是，即使是最牛啤的pcb設(shè)計人員，對于射頻電路也往往望而卻步，因為它會帶來巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)，并且需要專業(yè)的設(shè)計和仿真分析工具。正因為如此，多年來，PCB 的射頻部分一直是由擁有射頻設(shè)計專長的獨立設(shè)計人員來完成設(shè)計。

射頻電路設(shè)計工程師搬出了十八般武藝，一頓猛如虎的操作之后，設(shè)計出了下邊的射頻電路版圖，并導(dǎo)出DXF格式給PCB layout照抄就好了，豈不是爽歪歪



PCB設(shè)計攻城獅導(dǎo)入射頻電路DXF格式文件之后，發(fā)現(xiàn)走線既有直角又有尖銳的拐角，心里想，emmm，這射頻可真水，工資還比勞資高，避免尖銳倒角圓弧過渡都不懂，然后對射頻電路部分重新優(yōu)化了走線

結(jié)果…
為了避免日后產(chǎn)生誤會，射頻菌下班后把layout菌喊了過來，關(guān)上門手把手指導(dǎo)了一些射頻PCB設(shè)計的相關(guān)要點。


根據(jù)射頻電路理論，當(dāng)信號連接線上所傳輸?shù)男盘柕牟ㄩL可與分立的電路元件的幾何尺寸相比擬時，射頻IC引腳的焊盤、射頻信號在PCB上的傳輸線、射頻無源器件、過孔甚至是接地的鋪銅都是嚴(yán)重影響射頻信號性能的重要因素。

微帶線是在PCB上傳輸高頻信號的理想選擇，除非IC與天線的連接距離非常短，否則請使用特性阻抗匹配的同軸電纜或傳輸線。在印刷電路板上，最好采用如下圖所示結(jié)構(gòu)的微帶線傳輸線。



微帶線傳輸線包括固定寬度金屬走線(導(dǎo)體)以及(相鄰層)正下方的接地區(qū)域。例如，第1層(頂部金屬)上的走線要求在第2層上有實心接地區(qū)域。走線的寬度、電介質(zhì)層的厚度以及電介質(zhì)的類型決定特征阻抗(通常為50Ω或75Ω)。
當(dāng)然，除了微帶線，還有一種常見的傳輸線就是帶狀線，如下圖所示



帶狀線包括內(nèi)層固定寬度的走線，和其上方和下方的接地區(qū)域。導(dǎo)體可位于接地區(qū)域中間或具有一定偏移。這種方法適合內(nèi)層的射頻走線。
既然帶狀線也適合射頻走線，那老wu為啥說微帶線是在PCB上傳輸高頻信號的理想選擇呢？
無論是微帶線或是帶狀線，兩者傳輸毫米波頻率的性能都是優(yōu)秀的，區(qū)別在于制造成本。

與帶狀線電路相比，微帶線電路加工步驟少，且電路元件更易于放置，因而更易于制造（制造成本更低）。而比之微帶線，帶狀線能夠為相鄰的電路線提供更多隔離，支持更密集的元器件布局。此外，帶狀線電路還非常適合制造多層電路板，各層能夠良好隔離。

微帶線與帶狀線導(dǎo)體的電氣性能均受絕緣材料介電常數(shù)，以及接地層鄰近效應(yīng)的影響。微帶線只有一個接地層，而帶狀線有兩個接地層。對于微帶線，影響導(dǎo)體阻抗的有效介電常數(shù)是絕緣材料及其電路上方空氣的相對介電常數(shù)之和（等于1）。帶狀線的有效介電常數(shù)則為導(dǎo)體上下兩個基材的相對介電常數(shù)之和。
對于所有高頻電路，保持阻抗受控對于實現(xiàn)一致的振幅和相位響應(yīng)電氣性能至關(guān)重要。兩種傳輸線的導(dǎo)體的阻抗除其它因素外，是導(dǎo)體寬度、導(dǎo)體厚度、絕緣基材的厚度，基材的相對電容率或介電常數(shù)的函數(shù)。對于帶狀線，中心導(dǎo)體與兩接地層之間的距離是否相等，或者導(dǎo)體上下方絕緣體的介電常數(shù)是否相同并不重要（微帶線亦是如此）。
帶狀線有兩個接地層，因此帶狀線的50Ω（或者任何給定阻抗）線比微帶線阻抗相同的導(dǎo)體細(xì)。較細(xì)的線固然支持較大的電路密度，但是較細(xì)的線也需要更嚴(yán)格的制造公差，并且整個電路的基材的介電常數(shù)要非常一致。微帶線的單端（不平衡式）傳輸線的介質(zhì)損耗（由基材的耗散因子界定）比帶狀線少，這是因為微帶線的一些場線在空氣中，其耗散因子可忽略不計。
當(dāng)然，這兩種傳輸線所具備的性能實際上只是與其制造所用載體——絕緣基材的性能幾乎相同。正如所采用的PCB材料，例如FR-4，能夠降低成本，但同時也會限制其性能，根據(jù)不同的微帶線和帶狀線應(yīng)用選擇最適宜材料，會更好地發(fā)揮這兩種傳輸線的優(yōu)點。
與許多工程決策一樣，會權(quán)衡考慮選擇微帶線還是帶狀線。例如，帶狀線電路的電路密度高，因而，在相同頻率條件下，比微帶線電路需要更多的材料層、更多加工時間和費用、并且更需要注意細(xì)節(jié)的處理。
相對于常見的微帶線和帶狀線，還有一種射頻傳輸線是接地共面波導(dǎo)，接地共面波導(dǎo)提供鄰近射頻線之間以及其它信號線之間較好的隔離。這種介質(zhì)包括中間導(dǎo)體以及兩側(cè)和下方的接地區(qū)域如下圖：

建議在接地共面波導(dǎo)的兩側(cè)安裝過孔“柵欄”，如下圖所示。該頂視圖提供了在中間導(dǎo)體每側(cè)的頂部金屬接地區(qū)域安裝一排接地過孔的示例。頂層上引起的回路電流被短路至下方的接地層。
相比于微帶線，由于接地共面波導(dǎo)不僅在介質(zhì)底面有接地面且在介質(zhì)頂部信號傳輸線兩側(cè)也分布著接地面，因此其具有更大的接地面積。共面波導(dǎo)通過使用接地面包圍信號線的方式實現(xiàn)了電氣性能的穩(wěn)定。
微帶線和接地共面波導(dǎo)電路的傳輸模式均為準(zhǔn)橫電磁模(準(zhǔn)-TEM)。由于接地共面波導(dǎo)電路增強的接地結(jié)構(gòu)，一定程度上其機械加工也更加復(fù)雜。相比于微帶線，接地共面波導(dǎo)電路具有低色散特點，當(dāng)頻率上升到毫米波波段時，接地共面波導(dǎo)電路比微帶線電路的輻射損耗也更低。
由于增強的接地結(jié)構(gòu)，接地共面波導(dǎo)電路比微帶線電路具有更寬的有效帶寬和更大的阻抗范圍。然而，微帶線電路結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)健，其簡單的底部接地面電路結(jié)構(gòu)便于加工。此外，微帶線電路性能對電路加工因素不敏感，其電路性能受導(dǎo)體/間隙刻蝕差異和導(dǎo)體厚度差異的影響更小。
而射頻電路版圖那些尖銳的彎角是特意設(shè)計的傳輸線彎角補償
由于布線約束而要求傳輸線彎曲時(改變方向)，使用的彎曲半徑應(yīng)至少為中間導(dǎo)體寬度的3倍。也就是說：
彎曲半徑 ≥ 3 × (線寬).
這將彎角的特征阻抗變化降至最小。
如果不可能實現(xiàn)逐漸彎曲，可將傳輸線進(jìn)行直角彎曲(非曲線)，如下圖所示。然而，必須對此進(jìn)行補償，以減小通過彎曲點時本地有效線寬增大引起的阻抗突變。