射頻和微波 PCB 設計的關鍵指南

幾十年前，對射頻和微波電路的需求并不大。它們很難設計到當時的建筑中，而且成本如此之高，以至于只有軍用/航空項目才能負擔得起。但是今天，射頻電路被塞進了種類繁多的商業(yè)產品中。其中大部分是用于醫(yī)療、工業(yè)和通信應用的手持無線設備，此外，各種領域的應用正在從臺式機模型轉變?yōu)楸銛y式通信單元。不僅 RF 變得越來越普遍，而且微波電路也變得越來越普遍，它們都可以捕獲甚高頻 (VHF) 和超高頻 (UHF)。

印刷電路板 (PCB) 現在包含的不僅僅是純數字或混合信號技術，PCB 布局設計師在設計具有高頻射頻和微波的子組件時面臨更多挑戰(zhàn)。

RF 頻率范圍通常為 500 MHz 至 2 GHz，高于 100 MHz 的設計被視為 RF。微波頻率范圍高于 2 GHz。射頻和微波電路與典型的數字和模擬電路之間存在相當大的差異。本質上，射頻信號是非常高頻的模擬信號。因此，與數字不同，在任何時間點，射頻信號都可以處于和限制之間的任何電壓和電流水平。

假定標準模擬信號介于直流和幾百兆赫之間。但是 RF 和微波信號是一個頻率或非常高頻載波上的一個頻段（圖 1）。與與一種電壓或一種電流相關聯的數字信號不同，RF 和微波信號在一個頻率上運行。

圖 1：射頻和微波信號是超高頻載波上的一個頻率或一個頻段。

射頻和微波電路設計用于傳遞特定頻帶內的信號。他們使用帶通濾波器在所謂的感興趣頻帶中傳輸信號。一個頻率范圍內的信號通過這個頻帶范圍，信號的其余頻率被濾除。單個頻帶可以非常窄或非常寬，并承載在非常高頻的載波上。

PCB 設計和射頻/微波問題 
在大多數情況下，包含射頻和/或微波電路的 PCB 布局很難設計。然而，無論難度如何，經驗法則都是從基礎開始，遵循物理定律。首先，PCB 設計人員需要了解微波信號對噪聲高度敏感。必須非常小心地對待引起振鈴和反射的可能性。

例如，當處理千兆赫范圍或每秒 10Gb 的超高速數字信號時，PCB 設計人員必須遵循特定的指導方針和規(guī)則。當 RF 和微波進入布局時，PCB 設計人員必須具有相同的思維方式，但由于 RF 比非常高速的數字信號敏感得多，因此將這種思維方式乘以多次。

其次，阻抗匹配對 RF 極為關鍵。數字信號——即使它們非常高速——也有一定的容差。但對于射頻和微波，頻率越高，公差就越小。例如，PCB 設計人員必須將其保持在 50 歐姆 - 驅動器輸出 50 歐姆，傳輸期間 50 歐姆，接收器 50 歐姆。

第三，回波損耗必須化。這種損失是由信號反射或振鈴引起的。返回是返回電流所采用的路徑（圖 2）。例如，采用從驅動器到接收器的單端信號。顯然，必須有一個從接收器到驅動器的返回信號。如果它是單端信號，則返回通常采用阻抗的路徑。

圖 2：參考平面上跡線的返回信號采用的路徑。

在非常高的微波頻率下，返回信號采用電感的路徑。信號下方的地平面可以很好地提供這條路徑。因此，從驅動器到接收器的信號下方平面不應有任何不連續(xù)性。但是，如果接地有切口或走線下方不存在接地平面，信號仍會以某種方式到達驅動器。它將穿過電源層、PCB 的多層或通過其他路徑——它肯定會找到返回路徑。但這樣的路徑并不理想，因此會導致反射和振鈴，因為它不再是阻抗控制信號（圖 3）。

圖 3：傳輸線上阻抗不匹配產生的振鈴

PCB 設計人員在設計射頻和微波電路時還必須牢記串擾因素。隨著系統(tǒng)性能和電路板密度的增加，串擾問題及其處理方法變得更加重要。串擾是由于互感和并聯電容導致的相鄰導體之間的能量傳遞。來自有源線路的耦合能量疊加在受害線路上。

流向接收器的耦合信號構成前向串擾。向源頭行進的那些構成反向串擾。后向串擾是電感耦合和電容耦合的總和，而前向串擾是兩者之差。串擾是高頻設計中的主要問題。這是因為它與活動線路的邊沿速率成正比。

其他因素是兩條線的接近程度以及兩條線相互平行的距離。因此，高速信號的路由應盡可能遠。理想情況下，中心到中心的距離至少應是這些信號跡線寬度的四倍。

線條彼此平行的距離也應保持在限度。其他解決方案包括減小線路與其參考平面之間的電介質間距或引入共面結構，其中在跡線之間插入接地平面。在其特性阻抗上終止線路也可以將串擾降低多達 50%。

PCB 上的所有走線不需要進行阻抗控制。只有當從驅動器到接收器的走線總長度大于信號波長的 1/16 時，才需要對該走線進行阻抗控制。波長的 1/16 稱為信號的臨界長度。

頻率與波長成反比。頻率越高，波長越短。例如，對于基于微帶 FR4 的 PCB 上的 1GHz，臨界長度約為 0.425 英寸。因此，如果您要路由 1GHz 信號，其總長度大于 425 密耳，則該走線需要進行阻抗控制。臨界長度還取決于 PCB 的材料以及傳輸線技術。

使用 RF 電路時，設計人員需要考慮層壓板特性，例如耗散因數和介電常數 (Dk) 值及其變化。FR4 的耗散因數高于 Rogers 和 Nelco 等高頻層壓板。這意味著使用 FR4 時插入損耗要高得多。這些損耗也是頻率的函數，并且會隨著頻率的升高而增加。其次，FR4 的 Dk 值可以變化多達 10%。這又會改變阻抗。高頻層壓板具有更穩(wěn)定的頻率特性。

然后是 Dk 值本身。對于微波電路，Dk 值與電路元件的尺寸密切相關，因此設計人員可以通過選擇具有較高 Dk 值的層壓板來減小電路尺寸。

避免損失 
如上所述，阻抗不匹配會導致反射。如果跡線沒有正確端接或者返回路徑沒有優(yōu)化，那么信號上就會有反射或振鈴。還有其他信號損失。個是信號的趨膚效應損失，具體是信號走線上的趨膚效應損失。重要的是要注意趨膚效應是頻率的量度。

在高頻下，電子傾向于在導體的外表面流動；這就是所謂的“趨膚效應”。在跡線本身上，有一個非常小的區(qū)域用作移動電子的漏斗。這個漏斗會在跡線上產生熱量，并且一些通過跡線的能量會轉化為熱量并損失掉，從而造成信號的趨膚效應損失。

介電損耗與趨膚效應損耗相伴隨，因為兩者都可以在極高頻率下產生。與趨膚效應損耗一樣，當電子流過導體時會產生介電損耗。這些電子中有安靜的能量。例如，它們與 FR4 PCB 基板上的電子一起來回反彈。在此相互作用過程中，來自流經導體的電子的一些能量隨后被轉移到 FR4 上的電子。因此，該能量轉化為熱量并隨后損失，并產生介電損耗。圖 4 顯示了 PCB 傳輸線中的損耗與頻率的函數關系。

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圖 4：PCB 傳輸線中的損耗

在這種情況下，對于極高頻微波電路，使用聚四氟乙烯特氟龍，在行業(yè)中稱為 PTFE 材料。這些層壓板的耗散因數約為 0.001（與 FR4 的耗散因數 0.02 相比）。其次，在射頻電路上使用金體可以大大減少趨膚損耗。