什么是射頻電路設計？

2021-07-27

什么是射頻電路設計？

數字系統設計人員可能熟悉某些 RF 組件和路由樣式，但 RF 電路設計涉及的內容遠不止這些。射頻電路可以包括集成電路、分立半導體和印刷射頻元件，它們一起工作以產(chǎn)生所需的功能。RF 電路設計涉及將所有這些元素結合起來(lái)以構建整個(gè)系統并創(chuàng )建 PCB 布局。

RF 電路不像典型的電路圖那樣直觀(guān)，有時(shí)圖表可能會(huì )違反基本的電氣設計規則。然而，由于電磁場(chǎng)的傳播特性，在 RF 頻率下運行的電路的行為與在 DC 或數字頻帶中運行的典型集成電路非常不同。無(wú)論您是在設計無(wú)線(xiàn)通信系統，還是只需要設計具有特定阻抗的傳輸線(xiàn)，請注意微波工程的這些基礎知識。

射頻電路設計簡(jiǎn)介

規劃您的電路板結構>

常見(jiàn)的射頻電路設計

用于射頻電路設計和布局的工具

人們經(jīng)常開(kāi)玩笑說(shuō)，集成電路和 PCB 的射頻 (RF) 設計是您通過(guò)大學(xué)資格考試只需要知道的事情。然而，當今的許多專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品需要使用混合信號組件、包含無(wú)線(xiàn)通信模塊或支持雷達等高頻應用。RF 設計現在重新成為主流，不熟悉 RF 設計的設計人員應該閱讀本指南以提高他們的技能。

射頻電路設計簡(jiǎn)介

RF 電路旨在通過(guò)使用電路板上的印刷元件構建結構來(lái)模擬標準電路元件和一些簡(jiǎn)單的集成電路。RF 電路可能看起來(lái)有點(diǎn)陌生，因為它們并不總是使用現成的組件。相反，RF 電路可以使用 PCB 上的印刷跡線(xiàn)和一些附加組件來(lái)在電路板中提供所需的功能。

印刷射頻電路

RF 電路板的印刷部分將使用銅跡線(xiàn)來(lái)構建電路元件。RF 電路中的走線(xiàn)、電容器或電感器元件以及半導體的布置可能看起來(lái)不直觀(guān)，但它們利用電磁場(chǎng)中的傳播行為來(lái)產(chǎn)生所需的電氣行為。關(guān)于 RF 電路設計以及 PCB 上的 RF 電路的電氣行為，有一些重要的概念點(diǎn)需要記?。?span>

被動(dòng)：除非有源關(guān)閉的，現成的組分被加入到設計中的所有印刷RF電路是無(wú)源的。然而，正在研究完全由印刷跡線(xiàn)構建的有源射頻組件。

線(xiàn)性：由印刷跡線(xiàn)構成的 RF 電路始終是線(xiàn)性的，這意味著(zhù)電壓和電流通過(guò)線(xiàn)性函數（圖形上的直線(xiàn)）相關(guān)。只有在電路中添加非線(xiàn)性半導體元件（例如二極管）時(shí)，這些電路才會(huì )變?yōu)榉蔷€(xiàn)性。

傳播：所有射頻電路都利用波傳播。這意味著(zhù)在確定如何匹配電路周?chē)淖杩挂约叭绾卧?span> RF 電路的不同部分之間創(chuàng )建接口時(shí)，需要使用輸入阻抗。

信號完整性：射頻信號完整性依賴(lài)于電磁屏蔽和隔離，因為射頻信號需要盡可能無(wú)噪聲。已經(jīng)設計了許多獨特的屏蔽結構和布局技術(shù)來(lái)幫助在射頻系統中提供所需的屏蔽和隔離。

有源射頻電路

有源射頻電路可以包括從振蕩器到驅動(dòng)放大器、ADC 和收發(fā)器的任何東西。除了印刷跡線(xiàn)之外，還可以使用這些組件來(lái)提供附加功能。許多雷達模塊、無(wú)線(xiàn)系統、放大器和電信組件將使用有源組件和無(wú)源電路來(lái)路由 RF 信號并提供所需的信號傳播行為。信號采樣、操作和處理由有源組件執行，這些組件還可以提供返回數字系統的接口。

規劃您的電路板結構

就像高速數字 PCB 一樣，成功的 RF 電路設計依賴(lài)于構建可以支持您的 RF 電路的 PCB 疊層。疊層的設計應使 RF 元件具有所需的特性阻抗，盡管您的系統阻抗將是您的 RF 電路布局和布線(xiàn)的復雜功能。此外，您的電路板工作的相關(guān)頻率將決定疊層的構建方式、您可能需要的印刷電路類(lèi)型以及您可以使用的射頻組件。RFIC 設計遵循許多與 RF PCB 設計相同的想法，掌握這些概念將有助于您在 RF 設計的任何領(lǐng)域取得成功。

射頻電路板材料

FR4 材料適用于工作頻率高達 WiFi 頻率 (~6 GHz) 的射頻傳輸線(xiàn)和互連。除了這些頻率之外，RF 工程師建議使用替代材料來(lái)支持 RF 信號傳播和印刷 RF 電路設計。標準 FR4 層壓板使用樹(shù)脂填充的玻璃纖維編織物來(lái)固定組件，但如果未正確指定制造程序，某些材料中的這些纖維編織效果可能會(huì )產(chǎn)生信號和電源完整性問(wèn)題。

替代材料系統使用基于 PTFE 的層壓板和粘合層材料將 PTFE 層與 PCB 疊層中的下一層粘合。這些材料的損耗角正切比 FR4 材料低，因此信號可以傳播得更遠而不會(huì )衰減，并且仍處于可接受的范圍內。這些層壓板應形成支持非常高頻率的 RF 傳輸線(xiàn)（例如 77 GHz 雷達）或較低頻率的非常長(cháng)的互連（例如 6 GHz WiFi）的基板。下表總結了常見(jiàn)射頻 PCB 材料的一些重要材料特性。

RF PCB 材料的一些介電和熱特性。

帶有射頻材料的 PCB 疊層

一旦您為您的射頻設計選擇了層壓材料和粘合層材料，就可以將它們添加到您的疊層中。雖然您可以使用 RF 材料構建整個(gè)多層 PCB 疊層，但通常不需要它，而且可能過(guò)于昂貴。一種選擇是構建混合疊層，其中射頻層壓板放置在頂層以支持射頻傳輸線(xiàn)和電路，而內層用于支持接地層、數字信號路由和電源。相反的層還可以支持需要與您的射頻前端、用于收集射頻信號的任何 ADC 或其他組件接口的數字組件。

使用 Rogers PTFE 層壓板的混合疊層示例。

如果您的 RF PCB 布局中不需要數字部分，您可以使用具有標準或接近標準厚度的 RF 層壓板的 2 層或 3 層 PCB。一旦確定了 PCB 層厚度和材料系統，您就需要確定射頻走線(xiàn)的阻抗。

計算射頻走線(xiàn)阻抗

確定疊層后，您需要計算 PCB 上導體的寬度，以在您的 RF 電路中產(chǎn)生所需的阻抗（通常為 50 歐姆）。跡線(xiàn)的阻抗及其尺寸使用一些公式相關(guān)聯(lián)，這些公式是通過(guò)稱(chēng)為共形映射的技術(shù)得出的。目前，尋找計算具有復介電常數的走線(xiàn)阻抗的公式的最佳資源是 Brian C. Waddell 的傳輸線(xiàn)設計手冊。但是，這些公式無(wú)法針對特定寬度求解，因此需要通過(guò)數值技術(shù)來(lái)確定傳輸線(xiàn)具有特定阻抗所需的寬度。

了解有關(guān)計算微帶線(xiàn)阻抗的更多信息

了解有關(guān)計算對稱(chēng)帶狀線(xiàn)阻抗的更多信息

對于更復雜的布置，例如偏移帶狀線(xiàn)或波導，更好的選擇是使用帶有集成場(chǎng)解算器的疊層設計工具。這些實(shí)用程序可以考慮銅粗糙度、制造過(guò)程中的錐度、差分布線(xiàn)安排以及層間走線(xiàn)的位置。它們也很容易在您的 PCB 設計軟件中使用。

Altium Designer 中的層堆棧管理器包括一個(gè)阻抗計算器，用于計算銅粗糙度。

一旦您知道互連的阻抗，您仍然需要通過(guò)查看反射仿真結果或通過(guò)查看數據表來(lái)確定阻抗匹配要求。對于印刷射頻電路中使用的傳輸線(xiàn)，不同傳輸線(xiàn)部分的輸入阻抗用于確定給定電路的阻抗匹配。如果您在 RF 電路中連接傳輸線(xiàn)和組件，則需要在設計 RF 組件的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )時(shí)包括輸入阻抗。

了解有關(guān)傳輸線(xiàn)阻抗值的更多信息

了解有關(guān)傳輸線(xiàn)臨界長(cháng)度的更多信息

常見(jiàn)的射頻電路設計

在設計 RF 電路之前設計 PCB 疊層很重要，尤其是無(wú)源 RF 電路，因為它們需要達到特定的阻抗目標才能正常工作。此外，印刷射頻電路利用傳輸線(xiàn)上的電磁場(chǎng)傳播，傳播行為將取決于基板材料的介電功能。一旦確定了這些細節，您就可以開(kāi)始設計您的射頻電路并為您的系統選擇其他組件。

印刷射頻電路是通過(guò)計算用于 PCB 上特定結構的傳輸線(xiàn)截面來(lái)設計的。您的傳輸線(xiàn)設計將引導傳播波到組件，同時(shí)還提供衰減、放大、濾波、諧振和發(fā)射（例如，作為天線(xiàn)）等行為。通常需要在短截線(xiàn)、與組件的接口和天線(xiàn)處進(jìn)行阻抗變換，以克服 RF 信號在傳播時(shí)看到的阻抗失配。產(chǎn)生這些功能的各種印刷結構在許多教科書(shū)中都是眾所周知的。

RF 電路和 PCB 中使用的一些結構和組件包括：

無(wú)源和有源濾波器

衰減器

循環(huán)器

放大器

射頻功率分配器、分配器和合路器

天線(xiàn)

諧振器

波導腔

添加其他組件后，您需要先創(chuàng )建電路原理圖，然后才能開(kāi)始布局。在原理圖中放置 RF 電路的過(guò)程與用于數字系統的過(guò)程相同。電路仿真在前端 RF 工程中也很重要，因為您需要在創(chuàng )建 PCB 布局之前評估系統的電氣功能。這通常是在您的設計中使用 SPICE 仿真來(lái)執行的，電路板中的印刷元件被定義為 SPICE 中的傳輸線(xiàn)對象。最好的原理圖編輯器將包含傳輸線(xiàn)對象，讓您能夠準確地模擬電路板中的電磁行為。

射頻電路布局工具

一旦您的 RF 電路設計完成并在您所需的頻率范圍內通過(guò)電路仿真工具，就可以進(jìn)行物理布局了。RF PCB 設計人員通常需要采用機械方法來(lái)仔細設計他們的 RF 互連，同時(shí)還要遵守標準的高頻設計規則，例如最小化過(guò)孔和走線(xiàn)長(cháng)度。任何出現在 PCB 上的高頻電路都需要設計成滿(mǎn)足阻抗目標和幾何公差，因此您的 CAD 工具需要與您的電氣設計規則相結合，以確保符合這些目標。

如果您還有必須與 RF 電路連接的數字組件，則需要使用相同的一組工具將它們放置在 PCB 布局中。仔細放置和正確的疊層設計將有助于防止干擾高頻電路和射頻信號收集。原生 3D 設計工具在這里也很有用，因為一些 RF 系統是多板系統，在準備制造之前需要檢查整個(gè)組件。

使用正確的 PCB 設計工具完成您的物理布局。

當您需要構建同時(shí)保持信號完整性的高級 RF 系統時(shí)，您需要一整套電路仿真工具、PCB 布線(xiàn)和布局工具以及層堆棧設計工具來(lái)幫助您達到阻抗目標。無(wú)論您需要布局用于信號收集的低噪聲放大器、用于廣播信號的射頻功率放大器，還是具有獨特走線(xiàn)和過(guò)孔結構的復雜互連，最好的 PCB 布局工具都將幫助您在創(chuàng )建射頻 PCB 布局時(shí)保持靈活性。