射频和微波 PCB 设计的关键指南

几十年前，对射频和微波电路的需求并不大。它们很难设计到当时的建筑中，而且成本如此之高，以至于只有军用/航空项目才能负担得起。但是今天，射频电路被塞进了种类繁多的商业产品中。其中大部分是用于医疗、工业和通信应用的手持无线设备，此外，各种领域的应用正在从台式机模型转变为便携式通信单元。不仅 RF 变得越来越普遍，而且微波电路也变得越来越普遍，它们都可以捕获甚高频 (VHF) 和超高频 (UHF)。

印刷电路板 (PCB) 现在包含的不仅仅是纯数字或混合信号技术，PCB 布局设计师在设计具有高频射频和微波的子组件时面临更多挑战。

RF 频率范围通常为 500 MHz 至 2 GHz，高于 100 MHz 的设计被视为 RF。微波频率范围高于 2 GHz。射频和微波电路与典型的数字和模拟电路之间存在相当大的差异。本质上，射频信号是非常高频的模拟信号。因此，与数字不同，在任何时间点，射频信号都可以处于和限制之间的任何电压和电流水平。

假定标准模拟信号介于直流和几百兆赫之间。但是 RF 和微波信号是一个频率或非常高频载波上的一个频段（图 1）。与与一种电压或一种电流相关联的数字信号不同，RF 和微波信号在一个频率上运行。

图 1：射频和微波信号是超高频载波上的一个频率或一个频段。

射频和微波电路设计用于传递特定频带内的信号。他们使用带通滤波器在所谓的感兴趣频带中传输信号。一个频率范围内的信号通过这个频带范围，信号的其余频率被滤除。单个频带可以非常窄或非常宽，并承载在非常高频的载波上。

PCB 设计和射频/微波问题 
在大多数情况下，包含射频和/或微波电路的 PCB 布局很难设计。然而，无论难度如何，经验法则都是从基础开始，遵循物理定律。首先，PCB 设计人员需要了解微波信号对噪声高度敏感。必须非常小心地对待引起振铃和反射的可能性。

例如，当处理千兆赫范围或每秒 10Gb 的超高速数字信号时，PCB 设计人员必须遵循特定的指导方针和规则。当 RF 和微波进入布局时，PCB 设计人员必须具有相同的思维方式，但由于 RF 比非常高速的数字信号敏感得多，因此将这种思维方式乘以多次。

其次，阻抗匹配对 RF 极为关键。数字信号——即使它们非常高速——也有一定的容差。但对于射频和微波，频率越高，公差就越小。例如，PCB 设计人员必须将其保持在 50 欧姆 - 驱动器输出 50 欧姆，传输期间 50 欧姆，接收器 50 欧姆。

第三，回波损耗必须化。这种损失是由信号反射或振铃引起的。返回是返回电流所采用的路径（图 2）。例如，采用从驱动器到接收器的单端信号。显然，必须有一个从接收器到驱动器的返回信号。如果它是单端信号，则返回通常采用阻抗的路径。

图 2：参考平面上迹线的返回信号采用的路径。

在非常高的微波频率下，返回信号采用电感的路径。信号下方的地平面可以很好地提供这条路径。因此，从驱动器到接收器的信号下方平面不应有任何不连续性。但是，如果接地有切口或走线下方不存在接地平面，信号仍会以某种方式到达驱动器。它将穿过电源层、PCB 的多层或通过其他路径——它肯定会找到返回路径。但这样的路径并不理想，因此会导致反射和振铃，因为它不再是阻抗控制信号（图 3）。

图 3：传输线上阻抗不匹配产生的振铃

PCB 设计人员在设计射频和微波电路时还必须牢记串扰因素。随着系统性能和电路板密度的增加，串扰问题及其处理方法变得更加重要。串扰是由于互感和并联电容导致的相邻导体之间的能量传递。来自有源线路的耦合能量叠加在受害线路上。

流向接收器的耦合信号构成前向串扰。向源头行进的那些构成反向串扰。后向串扰是电感耦合和电容耦合的总和，而前向串扰是两者之差。串扰是高频设计中的主要问题。这是因为它与活动线路的边沿速率成正比。

其他因素是两条线的接近程度以及两条线相互平行的距离。因此，高速信号的路由应尽可能远。理想情况下，中心到中心的距离至少应是这些信号迹线宽度的四倍。

线条彼此平行的距离也应保持在限度。其他解决方案包括减小线路与其参考平面之间的电介质间距或引入共面结构，其中在迹线之间插入接地平面。在其特性阻抗上终止线路也可以将串扰降低多达 50%。

PCB 上的所有走线不需要进行阻抗控制。只有当从驱动器到接收器的走线总长度大于信号波长的 1/16 时，才需要对该走线进行阻抗控制。波长的 1/16 称为信号的临界长度。

频率与波长成反比。频率越高，波长越短。例如，对于基于微带 FR4 的 PCB 上的 1GHz，临界长度约为 0.425 英寸。因此，如果您要路由 1GHz 信号，其总长度大于 425 密耳，则该走线需要进行阻抗控制。临界长度还取决于 PCB 的材料以及传输线技术。

使用 RF 电路时，设计人员需要考虑层压板特性，例如耗散因数和介电常数 (Dk) 值及其变化。FR4 的耗散因数高于 Rogers 和 Nelco 等高频层压板。这意味着使用 FR4 时插入损耗要高得多。这些损耗也是频率的函数，并且会随着频率的升高而增加。其次，FR4 的 Dk 值可以变化多达 10%。这又会改变阻抗。高频层压板具有更稳定的频率特性。

然后是 Dk 值本身。对于微波电路，Dk 值与电路元件的尺寸密切相关，因此设计人员可以通过选择具有较高 Dk 值的层压板来减小电路尺寸。

避免损失 
如上所述，阻抗不匹配会导致反射。如果迹线没有正确端接或者返回路径没有优化，那么信号上就会有反射或振铃。还有其他信号损失。个是信号的趋肤效应损失，具体是信号走线上的趋肤效应损失。重要的是要注意趋肤效应是频率的量度。

在高频下，电子倾向于在导体的外表面流动；这就是所谓的“趋肤效应”。在迹线本身上，有一个非常小的区域用作移动电子的漏斗。这个漏斗会在迹线上产生热量，并且一些通过迹线的能量会转化为热量并损失掉，从而造成信号的趋肤效应损失。

介电损耗与趋肤效应损耗相伴随，因为两者都可以在极高频率下产生。与趋肤效应损耗一样，当电子流过导体时会产生介电损耗。这些电子中有安静的能量。例如，它们与 FR4 PCB 基板上的电子一起来回反弹。在此相互作用过程中，来自流经导体的电子的一些能量随后被转移到 FR4 上的电子。因此，该能量转化为热量并随后损失，并产生介电损耗。图 4 显示了 PCB 传输线中的损耗与频率的函数关系。

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图 4：PCB 传输线中的损耗

在这种情况下，对于极高频微波电路，使用聚四氟乙烯特氟龙，在行业中称为 PTFE 材料。这些层压板的耗散因数约为 0.001（与 FR4 的耗散因数 0.02 相比）。其次，在射频电路上使用金体可以大大减少趋肤损耗。