RF PCB设计指南：RF和微波PCB组装

2022-09-07

RF PCB设计指南：RF和微波PCB组装

RF PCB和微波pcb行业发展迅速，推动更快、更便宜地生产PCB组装的趋势仍在继续。这种激进的步伐导致PCB设计规则与组件要求发生冲突。设计师和制造商之间的脱节导致盲目遵循这些规则，从而消除了提高性能的机会。

这些问题需要设计者意识到潜在的问题和陷阱，以避免它们。本指南讨论了射频和微波电路设计所特有的一些挑战以及如何应对这些挑战的一些建议，涵盖了从基本设计技巧到大批量射频组装的实用建议的所有内容。

射频PCB和微波PCB组装的基本设计指南

以下是此过程中的一些陷阱，旨在防止它们发生。

元件放置

元器件应尽可能靠近射频和微波PCB板的中心放置。这最大限度地减少了寄生电感，寄生电感会降低更高频率的性能。组件也应尽可能靠近其配对连接器放置。这减少了走线之间的耦合并提高了信号完整性。例如，如果您正在设计高速数字接口板，则在板的相对两侧保持走线彼此之间的最小距离至关重要。这最大限度地减少了射频和微波PCB板上不同层上的信号之间的串扰。

接地不良

接地是任何电路的一个关键方面。如果您的射频和微波PCB设计中有任何接地不良，您最终可能会对其他电路造成干扰，甚至损坏您的电路。例如，如果您的射频和微波PCB板的两侧都有迹线，那么一侧可能比另一侧有更好的连接（由于不同的环境条件）。这可能会导致问题。为避免这种情况，请使用多个过孔和粗迹线确保所有迹线在其整个长度上良好接地。

路由优化

 通过消除不需要的区域中的过孔（互连点），可以优化布线路径以降低噪声。通孔通常用作有助于减少机载辐射的接地层。但是，如果通孔位于射频和微波PCB板上的高阻抗点附近，例如电源线，它们也可以用作天线。在这种情况下，它们可能会将电磁能量辐射到自由空间或其他附近的导体，例如接地平面的迹线或电缆。

循环区

与线性走线相比，环路区域由于其高阻抗而导致信号劣化。因此，尽可能使用多个过孔而不是单个过孔来最小化环路面积，或者将它们放置在尽可能靠近元件焊盘的位置，以便它们与需要与射频和微波中的过孔连接的元件焊盘之间的长度最小印刷电路板。

传导噪声

传导噪声通过导电路径传播，例如迹线或接地层。传导噪声可能由射频和微波PCB板上的开关晶体管、微控制器或其他电子设备引起。当这些设备关闭时，它们会发出电流尖峰，从而产生从您的射频和微波PCB板辐射的电磁场。这些尖峰称为瞬态电流尖峰，它们可以穿过射频和微波PCB板上的接地层，如果它们到达电路板末端的天线，就会产生静电放电(ESD)事件。

使用多层射频PCB和微波PCB板

添加到射频和微波PCB板上的层越多，可用于散热和提供电流返回路径的铜表面积就越大。这意味着多层板非常适合射频/微波系统等高频应用，在这些应用中，必须有效散热，同时为天线中的高频电流保持低阻抗返回路径。

回波信号损失

天线的回波信号损耗是射频和微波PCB设计中的一个重要考虑因素。任何射频和微波PCB板的回波损耗定义为给定频率下前向波和反射波之间的功率比。在理想情况下，该值应在所有感兴趣的频率上大于-20 dB。但是，在实践中，您应该将-10 dB视为大多数应用的最低要求。

回波损耗的主要贡献者包括接地层中的阻抗失配和泄漏电流。天线与其相关组件之间的阻抗不匹配会导致反射，从而导致效率降低和性能下降。例如，确保天线和同轴电缆之间的阻抗匹配在+/- 2%以内将有助于确保良好的效率。

泄漏电流还可能通过将信号反射到其源电路或将它们辐射到自由空间中而造成相当大的损耗，从而对射频和微波PCB板上的其他设备或系统造成干扰。

射频PCB层压板特性

PCB层压板特性是射频和微波PCB板性能的基础。可用的层压板类型具有不同的特性，包括介电常数（又名 k 因子）、损耗角正切和温度系数。这些因素都会影响您的射频和微波PCB板在其生命周期内的性能。这些特性会受到很多因素的影响，包括PCB材料的厚度、使用的基板类型，甚至是射频和微波PCB板本身的层数。

选择PCB层压板时最重要的因素是确保它与您的射频和微波PCB设计要求兼容。例如，如果您需要高频性能，您可能需要选择高介电常数材料，例如Rogers Core或Rogers 3705 PTFE层压板。但是，如果您不需要高频性能，则较低k因子的材料（例如 FR4）可能足以满足您的需求。

射频和微波PCB的传输线和通孔

传输线用于将射频信号从一个地方传导到另一个地方。传输线具有不同的阻抗值，可以根据其电长度进行分类。阻抗是由电感、电容和其他电气特性引起的电流阻力。传输线通常由单个导体或一对导体（屏蔽或非屏蔽）组成。传输线的阻抗取决于其物理长度和工作频率。

传输线的主要目的是减少射频和微波PCB上两个设备之间转换期间的信号反射。为此，您必须确保线路中没有可能导致反射或驻波的不连续性。这需要在您的射频和微波PCB板布局上放置组件并为您的应用选择正确的传输线设计时进行仔细的设计规划。

传输线共有三种：同轴电缆、微带线和槽线。

同轴电缆

同轴电缆用于高达40 GHz的高频应用，因为它们可以在整个带宽范围内处理高电流而几乎没有损耗。同轴电缆通常由铜线制成，但也可以使用其他射频和微波PCB材料，例如镀银铜，具体取决于应用的频带和功率要求。

微带

微带线是最常用的传输线。它由射频PCB层压板一侧的接地层和另一侧的高架信号走线组成。地平面应该比信号走线宽，所以它们之间没有相互作用。对于毫米波频率，介电层的厚度至少应为1/4英寸，对于UHF或更高频率，电介质层的厚度应至少为1/2英寸。在较低频率下，您可以使用更薄的电介质，例如FR-4或Rogers 4350，而不会因接地层和信号走线之间的边缘场而增加损耗。

带状线

带状线类似于微带线，只是它在射频PCB层压板的一侧或两侧没有接地层。它的损耗比微带线小，因为两个导体之间没有边缘场。当高速信号必须长距离传输时，通常使用带状线，而不会导致带状线弯曲处的阻抗不匹配或安装在其末端的连接器产生反射。

电源平面间隙

电源平面间隙是两个导电层之间的距离。设计这种间隙的目的是减少不同信号层之间或信号层与接地平面或参考平面之间的不希望有的耦合。它还限制了相邻迹线之间的干扰并防止相邻信号层之间的串扰。它还有助于避免在尖角处产生电弧或火花，这很危险并会影响电路的性能。

电源层的最小建议间隙为距任何其他信号层0.15 mm，包括同一层上的过孔。例如，如果有两个信号层非常接近，那么您应该确保它们之间至少有0.15 mm的距离，以免由于附近的过孔或走线的电容耦合或电感耦合效应而造成它们之间的任何干扰问题在这两层上。

关键要点

本文的目的是对与射频和微波PCB制造相关的射频和微波PCB设计和组装挑战进行一般性介绍。根据您是设计复杂的射频和微波PCB板还是使用超小型组件，挑战各不相同。尽管我们在这里介绍的内容远非全面，但希望它为有兴趣了解更多有关射频和微波PCB的任何人提供了一个有用的起点。韬放电子了解更多信息，开始您的下一个射频和微波PCB项目。