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高頻PCB設(shè)計概要之一

 西北望msm66g9f 2020-01-28

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。較細的線固然支持較大的電路密度,,但是較細的線也需要更嚴格的制造公差,,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橫電磁模(準-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,,可將傳輸線進行直角彎曲(非曲線),如下圖所示,。然而,,必須對此進行補償,以減小通過彎曲點時本地有效線寬增大引起的阻抗突變,。


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