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射頻電路印刷電路板的電磁兼容性設計

2019-03-20

PCB 電磁兼容布局隨著通信技術的發展，手持無線射頻電路技術運用越來越廣，如：無線尋呼機、手機、無線PDA等，其中的射頻電路的性能指標直接影響整個產品的質量。這些掌上產品的一個大特點就是小型化，而小型化意味著元器件的密度很大，這使得元器件（包括SMD、SMC、裸片等）的相互干擾十分突出。電磁干擾信號如果處理不當，可能造成整個電路系統的無法正常工作，因此，如何防止和抑制電磁干擾，提高電磁兼容性，就成為設計射頻電路PCB時的一個非常重要的課題。同一電路，不同的PCB設計結構，其性能指標會相差很大。 1 板材的選擇印刷電路板的基材包括有機類與無機類兩大類。基材中重要的性能是介電常數εr、耗散因子（或稱介質損耗）tanδ、熱膨脹系數CET和吸濕率。其中εr影響電路阻抗及信號傳輸速率。對于高頻電路，介電常數公差是首要考慮的更關鍵因素，應選擇介電常數公差小的基材。 2 PCB設計流程由于Protel99 SE軟件的使用與Protel 98等軟件不同，因此，首先簡要討論采用Protel99 SE軟件進行PCB設計的流程。 ①由于Protel99 SE采用的是工程（PROJECT）數據庫模式管理，在Windows 99下是隱含的，所以應先鍵立1個數據庫文件用于管理所設計的電路原理圖與PCB版圖。 ②原理圖的設計。為了可以實現網絡連接，在進行原理設計之間，所用到的元器件都必須在元器件庫中存在，否則，應在SCHLIB中做出所需的元器件并存入庫文件中。然后，只需從元器件庫中調用所需的元器件，并根據所設計的電路圖進行連接即可。 ③原理圖設計完成后，可形成一個網絡表以備進行PCB設計時使用。 ④PCB的設計。a.PCB外形及尺寸的確定。根據所設計的PCB在產品的位置、空間的大小、形狀以及與其它部件的配合來確定PCB的外形與尺寸。在MECHANICAL LAYER層用PLACE TRACK命令畫出PCB的外形。b.根據SMT的要求，在PCB上制作定位孔、視眼、參考點等。c.元器件的制作。假如需要使用一些元器件庫中不存在的特殊元器件，則在布局之前需先進行元器件的制作。在Protel99 SE中制作元器件的過程比較簡單，選擇“DESIGN”菜單中的“MAKE LIBRARY”命令后就進入了元器件制作窗口，再選擇“TOOL”菜單中的“NEW COMPONENT”命令就可以進行元器件的設計。這時只需根據實際元器件的形狀、大小等在TOP LAYER層以PLACE PAD等命令在一定的位置畫出相應的焊盤并編輯成所需的焊盤（包括焊盤形狀、大小、內徑尺寸及角度等，另外還應標出焊盤相應的引腳名），然后以PLACE TRACK命令在TOP OVERLAYER層中畫出元器件的外形，取一個元器件名存入元器件庫中即可。d.元器件制作完成后，進行布局及布線，這兩部分在下面具體進行討論。e.以上過程完成后必須進行檢查。這一方面包括電路原理的檢查，另一方面還必須檢查相互間的匹配及裝配問題。電路原理的檢查可以人工檢查，也可以采用網絡自動檢查（原理圖形成的網絡與PCB形成的網絡進行比較即可）。f.檢查無誤后，對文件進行存檔、輸出。在Protel99 SE中必須使用“FILE”選項中的“EXPORT”命令，把文件存放到指定的路徑與文件中（“IMPORT”命令則是把某一文件調入到Protel99 SE中）。注：在Protel99 SE中“FILE”選項中的“SAVE COPY AS…”命令執行后，所選取的文件名在Windows 98中是不可見的，所以在資源管理器中是看不到該文件的。這與Protel 98中的“SAVE AS…”功能不完全一樣。 3 元器件的布局由于SMT一般采用紅外爐熱流焊來實現元器件的焊接，因而元器件的布局影響到焊點的質量，進而影響到產品的成品率。而對于射頻電路PCB設計而言，電磁兼容性要求每個電路模塊盡量不產生電磁輻射，并且具有一定的抗電磁干擾能力，因此，元器件的布局還直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力，這也直接關系到所設計電路的性能。因此，在進行射頻電路PCB設計時除了要考慮普通PCB設計時的布局外，主要還須考慮如何減小射頻電路中各部分之間相互干擾、如何減小電路本身對其它電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力。根據經驗，對于射頻電路效果的好壞不僅取決于射頻電路板本身的性能指標，很大部分還取決于與CPU處理板間的相互影響，因此，在進行PCB設計時，合理布局顯得尤為重要。布局總原則：元器件應盡可能同一方向排列，通過選擇PCB進入熔錫系統的方向來減少甚至避免焊接不良的現象；根據經驗元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿足元器件的熔錫要求，若PCB板的空間允許，元器件的間距應盡可能寬。對于雙面板一般應設計一面為SMD及SMC元件，另一面則為分立元件。布局中應注意： *首先確定與其它PCB板或系統的接口元器件在PCB板上的位置，必須注意接口元器件間的配合問題（如元器件的方向等）。 *因為掌上用品的體積都很小，元器件間排列很緊湊，因此對于體積較大的元器件，必須優先考慮，確定出相應位置，并考慮相互間的配合問題。 *認真分析電路結構，對電路進行分塊處理（如高頻放大電路、混頻電路及解調電路等），盡可能將強電信號和弱電信號分開，將數字信號電路和模擬信號電路分開，完成同一功能的電路應盡量安排在一定的范圍之內，從而減小信號環路面積；各部分電路的濾波網絡必須就近連接，這樣不僅可以減小輻射，而且可以減少被干擾的幾率，根據電路的抗干擾能力。 *根據單元電路在使用中對電磁兼容性敏感程度不同進行分組。對于電路中易受干擾部分的元器件在布局時還應盡量避開干擾源（比如來自數據處理板上CPU的干擾等）。 4 布線在基本完成元器件的布局后，就可開始布線了。布線的基本原則為：在組裝密度許可情況下后，盡量選用低密度布線設計，并且信號走線盡量粗細一致，有利于阻抗匹配。對于射頻電路，信號線的走向、寬度、線間距的不合理設計，可能造成信號信號傳輸線之間的交叉干擾；另外，系統電源自身還存在噪聲干擾，所以在設計射頻電路PCB時一定要綜合考慮，合理布線。布線時，所有走線應遠離PCB板的邊框（2mm左右），以免PCB板制作時造成斷線或有斷線的隱患。電源線要盡中能寬，以減少環路電阻，同時，使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致，以提高抗干擾能力；所布信號線應盡可能短，并盡量減少過孔數目；各元器件間的連線越短越好，以減少分布參數和相互間的電磁干擾；對于不相容的信號線應量相互遠離，而且盡量避免平行走線，而在正向兩面的信號線應用互垂直；布線時在需要拐角的地址方應以135°角為宜，避免拐直角。布線時與焊盤直接相連的線條不宜太寬，走線應盡量離開不相連的元器件，以免短路；過孔不腚畫在元器件上，且應盡量遠離不相連的元器件，以免在生產中出現虛焊、連焊、短路等現象。在射頻電路PCB設計中，電源線和地線的正確布線顯得尤其重要，合理的設計是克服電磁干擾的重要的手段。PCB上相當多的干擾源是通過電源和地線產生的，其中地線引起的噪聲干擾大。地線容易形成電磁干擾的主要原因于地線存在阻抗。當有電流流過地線時，就會在地線上產生電壓，從而產生地線環路電流，形成地線的環路干擾。當多個電路共用一段地線時，就會形成公共阻抗耦合，從而產生所謂的地線噪聲。因此，在對射頻電路PCB的地線進行布線時應該做到： *首先，對電路進行分塊處理，射頻電路基本上可分成高頻放大、混頻、解調、本振等部分，要為各個電路模塊提供一個公共電位參考點即各模塊電路各自的地線，這樣信號就可以在不同的電路模塊之間傳輸。然后，匯總于射頻電路PCB接入地線的地方，即匯總于總地線。由于只存在一個參考點，因此沒有公共阻抗耦合存在，從而也就沒有相互干擾問題。 *數字區與模擬區盡可能地線進行隔離，并且數字地與模擬地要分離，最后接于電源地。 *在各部分電路內部的地線也要注意單點接地原則，盡量減小信號環路面積，并與相應的濾波電路的地址就近相接。 *在空間允許的情況下，各模塊之間能以地線進行隔離，防止相互之間的信號耦合效應。 5 結論射頻電路PCB設計的關鍵在于如何減少輻射能力以及如何提高抗干擾能力，合理的布局與布線是設計射頻電路PCB的保證。文中所述方法有利于提高射頻電路PCB設計的可靠性，解決好電磁干擾問題，進而達到電磁兼容的目的。關于億道電子億道電子是國內全面的開發工具提供商, 致力于將全球先進的軟件產品引薦給國內研發型企業使用，為企業提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件工具，并致力于和客戶一同提高研發、設計效率，縮短設計周期。億道電子先后與arm、Altium、Ansys、QT、TestPlant、CollabNet、Parasoft以及TouchGFX等多家全球知名公司建立戰略合作伙伴關系，并成為他們在中國區的重要分銷合作伙伴。億道電子專注開發、設計、管理工具數十年，客戶超過6000家，具有豐富的工具使用及客戶支持經驗積累，可以為客戶提供從arm開發、EDA板級設計、軟件編譯及測試工具、結構設計工具、多物理場仿真工具以及嵌入式GUI工具等產品與服務。億道電子在北京、上海、深圳設有分公司，業務遍布全國。

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