数字工程师要掌握的 RF PCB 设计指南：布局和布线

• 涉及哪些协议？

  RF 系统需要执行涉及高频的作，这些高频可能在某个标准化协议和频率范围内运行。系统中也可能有多个协议，不同的协议不应相互干扰。      

• 涉及哪些频率？

  一般来说，低频比高频更宽容，因为寄生在低频下不太明显。射频系统也不太可能在较低频率下将辐射噪声相互耦合。      

• 涉及哪些数字接口？

  对于某些系统，数字接口可能具有较慢的边沿速率（SPI、I2C 等），因此它们可能不会对模拟性能产生重大影响，除非您忽略 routing 和 PCB 布局的最佳实践。具有高计算能力的嵌入式系统将使用千兆以太网、DDR、PCIe 等高速协议，这将更容易在 RF 信号网络中产生串扰。      

比之前的 8 层叠层更先进的第三个选项如下所示。在这个 8 层 PCB 叠层中，外层变得非常薄，原因有三个：

1. 薄的外部电介质可用于 HDI 设计，通过机械钻孔或激光钻孔实现 BGA 扇出
2. 外层较薄，迫使走线在其目标阻抗处更窄
3. 电源层将具有更高的层间电容，因为它将非常接近 GND 层

这将用于需要更高密度 BGA 封装的 RF 组件和数字处理器的设计。我曾将这种类型的叠层与雷达模块一起使用，其中外部高频射频层具有用于雷达收发器的细间距 BGA，并且需要带有盲孔的窄共面波导在收发器引脚和天线或连接器之间布线。

接地对于定义 RF 布局中的返回路径很重要，但最好考虑围绕走线的行进电磁波在电路板上所占用的空间。请注意，在互连上传播的信号不会在导体上显示为流动电流;这是一个与现实不符的概念模型。事实是，电磁场在导体周围占据了一些空间，而该空间内的场强将取决于互连周围导体的存在。

然后，走线周围的磁场导致返回电流显示为位移电流。这是因为，如果我们看一下下面显示的微带走线和接地层布置，我们会发现两个导体被带到不同的电位，它们被绝缘体（PCB 层压材料）隔开，形成一个电容器。接地层中的位移电流在接地层终止时跟随电场线。

• 不要将平面层物理分离或拆分为具有数字和模拟组件的孤岛，并尝试用电容器将它们捆绑在一起。您将有一个构思不周的返回路径，从而产生 EMI 问题。只需使用单个平面层并学习跟踪返回路径。
• 利用平面层来确保信号和电源的完整性。这意味着，即使您有一个只有几个元件的简单 RF 板，您也至少需要一个 4 层板来提供必要的平面层。

现在是有趣的部分了：RF 路由。所有 RF 路由都需要受控阻抗。这可能需要放置一个端接网络以确保将功率传输到组件（例如，分频器或天线）中，或放置一个滤波器/放大器来调整沿互连传输的特定频率。具有集成 RF 输出的组件可能具有所需的片上端接，因此在将任何端接组件放置在 RF 互连的驱动器端之前，请务必检查这一点。

跟踪几何图形

一旦需要对关键 RF 走线进行布线，您需要确定走线几何形状。在 Wifi 频率和更高频率下，大多数组件应用说明会建议使用接地共面波导来路由 RF 走线。但是，作为设计人员，您需要权衡不同跟踪几何形状的优缺点。我在下表中总结了这些内容。

我提到了 RF 互连的走线长度和通孔，因为它们对 RF PCB 设计中的总损耗和信号失真有类似的影响，但方式不同。一些设计人员会说，您应该始终在高频信号上使用尽可能短的走线长度，但他们似乎不太理解为什么这很重要。损耗是一个因素，但输入阻抗也是一个因素，这在端接网络和与耦合电容器的互连中尤为重要。

简而言之，关于互连上的走线长度和过孔计数，需要遵循一系列 RF 布局指南：
RF 电路中元件之间的走线（例如滤波器中的无源器件）可以充当传输线，即使走线之间的布线很短。

• 损耗很重要，但短互连的损耗以回波损耗为主，这是由于两个阻抗之间的不匹配造成的。这种失配需要通过设计到精确的阻抗来解决，通常使用场求解器。
• 如果您设计了具有受控阻抗的微带线，则将其路由为微带线。不要将微带布线为共面波导，因为在微带周围放置接地铺铜和过孔会改变其阻抗。
• 在高频下，通孔可以开始像滤波器或谐振器一样工作，例如在毫米波频率下的通孔。不要通过太多的 via 布线，因为损耗会累积，并且不要在高频传输线上留下长 via stub。
• 遵循高速/高频 PCB 的其他标准布线指南，以确保您保持阻抗并最大限度地减少损耗/失真。