射频电路板抗干扰设计

中心议题：

• 射频电路板设计
• 干扰及其实际的解决办法

解决方案：

• 各模块之间最好能以地线进行隔离
• 数字区与模拟区尽可能以地线进行隔离
• 电路内部的地线也要注意单点接地原则

随着通信技术的发展,无线射频电路技术运用越来越广,其中的射频电路的性能指标直接影响整个产品的质量,射频电路印制电路板(PCB) 的抗干扰设计对于减小系统电磁信息辐射具有重要的意义。射频电路PCB的密度越来越高,PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大,同一电路,不同的PCB设计结构,其性能指标会相差很大。电磁干扰信号如果处理不当,可能造成整个电路系统的无法正常工作,因此如何防止和抑制电磁干扰,提高电磁兼容性,就成为设计射频电路PCB时的一个非常重要的课题。

电磁兼容性EMC是指电子系统在规定的电磁环境中按照设计要求能正常工作的能力。电子系统所受的电磁干扰不仅来自电场和磁场的辐射,也有线路公共阻抗、导线间耦合和电路结构的影响。在研制设计电路时,希望设计的印制电路板尽可能不易受外界干扰的影响,而且也尽可能小地干扰影响别的电子系统。

设计印制板首要的任务是对电路进行分析,确定关键电路。这就是要识别哪些电路是干扰源,哪些电路是敏感电路,弄清干扰源可能通过什么路径干扰敏感电路。射频电路工作频率高,干扰源主要是通过电磁辐射来干扰敏感电路,因此射频电路PCB板抗干扰设计的目的是减小PCB板的电磁辐射和PCB板上电路之间的串扰。

射频电路板设计

1　元器件的布局

由于SMT一般采用红外炉热流焊来实现元器件的焊接, 因而元器件的布局影响到焊点的质量,进而影响到产品的成品率。而对于射频电路PCB设计而言,电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁辐射,并且具有一定的抗电磁干扰能力,因此元器件的布局也影响到电路本身的干扰及抗干扰能力,直接关系到所设计电路的性能。故在进行射频电路PCB设计时除了要考虑普通 PCB设计时的布局外,主要还须考虑如何减小射频电路中各部分之间的相互干扰、如何减小电路本身对其他电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。

根据经验,射频电路效果的好坏不仅取决于射频电路板本身的性能指标,很大部分还取决于与CPU处理板间的相互影响,因此在进行PCB设计时,合理布局显得尤为重要。布局的总原则是元器件应尽可能同一方向排列,通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象;根据经验元器件间最少要有 0.5mm的间距才能满足元器件的熔锡要求,若PCB板的空间允许,元器件的间距应尽可能宽。对于双面板一般应设计一面为SMD及SMC元件,另一面则为分立元件。

布局中应注意:

1)首先确定与其他PCB板或系统的接口元器件在PCB板上的位置,必须注意接口元器件间的配合问题(加元器件的方向等);

2)因为掌上用品的体积都很小,元器件间排列很紧凑,因此对于体积较大的元器件,必须优先考虑,确定出相应位置,并考虑相互间的配合问题;

3)认真分析电路结构,对电路进行分块处理(加高频放大电路、混频电路及解调电路等),尽可能将强电信号和弱电信号分开,将数字信号电路和模拟信号电路分开,完成同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内,从而减小信号环路面积;各部分电路的滤波网络必须就近连接,这样不仅可以减小辐射,而且可以减少被干扰的机率,提高电路的抗干扰能力;

4)根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组。对于电路中易受干扰部分的元器件在布局时还应尽量避开干扰源(比如来自数据处理板上CPU的干扰等)。

2　布　线

在基本完成元器件的布局后,就可开始布线了。布线的基本原则为:在组装密度许可情况下,尽量选用低密度布线设计,并且信号走线尽量粗细一致,有利于阻抗匹配。

对于射频电路,信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计,可能造成信号传输线之间的交叉干扰;另外,系统电源自身还存在噪声干扰,所以在设计时频电路 PCB时一定要综合考虑,合理布线。布线时,所有走线应远离PCB板的边框2mm左右,以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。

电源线要尽可能宽,以减少环路电阻,同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,以提高抗干扰能力;所布信号线应尽可能短,并尽量减少过孔数目;各元器件间的连线越短越好,以减少分布参数和相互间的电磁干扰;对不相容的信号线应尽量相互远离,且尽量避免平行走线,而在正反两面的信号线应相互垂直;布线时在需要拐角的地方应以135°角为宜,避免拐直角。

布线时与焊盘直接相连的线条不宜太宽,走线应尽量离开不相连的元器件,以免短路;过孔不宜画在元器件上,且应尽量远离不相连的元器件,以免在生产中出现虚焊、连焊、短路等现象。在射频电路PCB设计中,电源线和地线的正确布线显得尤其重要,合理的设计是克服电磁干扰的最重要的手段。

PCB上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。地线容易形成电磁干扰的主要原因在于地线存在阻抗。当有电流流过地线时,就会在地线上产生电压,从而产生地线环路电流,形成地线的环路干扰。当多个电路共用一段地线时,就会形成公共阻抗耦合,从而产生所谓的地线噪声。

因此,在对射频电路PCB的地线进行布线时应该做到:

1)对电路进行分块处理时,射频电路基本上可分成高频放大、混频、解调、本振等部分,要为各个电路模块提供一个公共电位参考点,即各模块电路各自的地线, 这样信号就可以在不同的电路模块之间传输。然后,汇总于射频电路PCB接入地线的地方,即汇总于总地线。由于只存在一个参考点,因此没有公共阻抗耦合存在,从而也就没有相互干扰问题;

2)数字区与模拟区尽可能以地线进行隔离,并且数字地与模拟地要分离,最后接于电源地;

3)在各部分电路内部的地线也要注意单点接地原则,尽量减小信号环路面积,并与相应的滤波电路的地线就近相接;

4)在空间允许的情况下,各模块之间最好能以地线进行隔离,防止相互之间的信号耦合效应。

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实验测试
　　
下面几个实验测试事例,说明了不同原因带来的干扰及其实际的解决办法。

1　电源线和地线带来的干扰

图1取自某高压控制保护PCB的部分电路。图1a为原设计电路。由于电源线和地线的印制导线宽度太细,电路在工作时局受外界干扰;图1b是经过改进后的电路,其电源线和地线加粗至5mm,解决了电路的干扰问题。


图1　某高压控制保护PCB的部分电路

2　元器件布局不合理带来的干扰

图2取自某雷达发射机磁场控制保护PCB的部分电路。重新布局元器件后改进的PCB电路(如图2b)较改进前的PCB电路(如图2a)在抗干扰性能上有很大的改善。


图2　某雷达发射机磁场控制保护PCB的部分电路

3　布线不合理带来的干扰

图3取自某雷达CFA电源控制保护PCB的部分电路。图3a为原设计电路。由于布线时将高压取样信号线布于闭环取样回路中,使闭环取样电路在工作时易受外界的干扰,造成经常误报过压故障;而图3b是经过改进后的PCB电路,由于避开了高压取样信号线带来的干扰,改进后的PCB电路工作可靠稳定。


图3　某雷达CFA电源控制保护PCB的部分电路

射频电路PCB设计的关键在于如何减少辐射能力以及如何提高抗干扰能力,合理的布局与布线是设计时频电路PCB的保证。文中所述方法有利于提高射频电路PCB设计的可靠性,解决好电磁干扰问题,进而达到电磁兼容的目的。