高頻微波技術 - 射頻和微波PCB設計技巧

射頻和微波PCB行業發展迅速，推動更快、更便宜地生產PCB組裝的趨勢仍在繼續。 這種激進的步伐導致PCB設計規則與組件要求發生衝突。 設計師和製造商之間的脫節導致盲目遵循這些規則，從而消除了提高效能的機會。

這些問題需要設計者意識到潜在的問題和陷阱，以避免它們。 現在我們討論射頻和微波PCB電路設計所特有的一些挑戰以及如何應對這些挑戰的一些建議，涵蓋了從基本設計技巧到大批量射頻組裝的實用建議的所有內容。

今天我們分享射頻PCB和微波PCB的基本設計技巧，以下是此過程中的一些陷阱，旨在防止它們發生。

元件放置

元器件應盡可能靠近射頻和微波PCB板的中心放置。 這最大限度地减少了寄生電感，寄生電感會降低更高頻率的效能。 組件也應盡可能靠近其配對連接器放置。 這减少了走線之間的耦合併提高了信號完整性。 例如，如果您正在設計高速數位介面板，則在板的相對兩側保持走線彼此之間的最小距離至關重要。 這最大限度地减少了射頻和微波PCB板上不同層上的訊號之間的串擾。

接地不良

接地是任何電路的一個關鍵方面。 如果您的射頻和微波PCB設計中有任何接地不良，您最終可能會對其他電路造成干擾，甚至損壞您的電路。 例如，如果您的射頻和微波PCB板的兩側都有跡線，那麼一側可能比另一側有更好的連接（由於不同的環境條件）。 這可能會導致問題。 為避免這種情況，請使用多個過孔和粗跡線確保所有跡線在其整個長度上良好接地。

路由優化

通過消除不需要的區域中的過孔（互連點），可以優化佈線路徑以降低雜訊。 通孔通常用作有助於减少機載輻射的接地層。 但是，如果通孔位於射頻和微波PCB板上的高阻抗點附近，例如電源線，它們也可以用作天線。 在這種情況下，它們可能會將電磁能量輻射到自由空間或其他附近的導體，例如接地平面的跡線或電纜。

迴圈區

與線性走線相比，環路區域由於其高阻抗而導致訊號劣化。 囙此，盡可能使用多個過孔而不是單個過孔來最小化環路面積，或者將它們放置在盡可能靠近元件焊盤的位置，以便它們與需要與射頻和微波中的過孔連接的元件焊盤之間的長度最小印刷電路板。

傳導雜訊

傳導雜訊通過導電路徑傳播，例如跡線或接地層。 傳導雜訊可能由射頻和微波PCB板上的開關電晶體、微控制器或其他電子設備引起。 當這些設備關閉時，它們會發出電流尖峰，從而產生從您的射頻和微波PCB板輻射的電磁場。 這些尖峰稱為瞬態電流尖峰，它們可以穿過射頻和微波PCB板上的接地層，如果它們到達電路板末端的天線，就會產生靜電放電（ESD）事件。

使用多層射頻PCB和微波PCB板

添加到射頻和微波PCB板上的層越多，可用於散熱和提供電流返回路徑的銅表面積就越大。 這意味著多層板非常適合射頻/微波系統等高頻應用，在這些應用中，必須有效散熱，同時為天線中的高頻電流保持低阻抗返回路徑。

回波訊號損失

天線的回波訊號損耗是射頻和微波PCB設計中的一個重要考慮因素。 任何射頻和微波PCB板的回波損耗定義為給定頻率下前向波和反射波之間的功率比。 在理想情况下，該值應在所有感興趣的頻率上大於-20 dB。 但是，在實踐中，您應該將-10 dB視為大多數應用的最低要求。

回波損耗的主要貢獻者包括接地層中的阻抗失配和洩漏電流。 天線與其相關組件之間的阻抗不匹配會導致反射，從而導致效率降低和效能下降。 例如，確保天線和同軸電纜之間的阻抗匹配在+/-2%以內將有助於確保良好的效率。

洩漏電流還可能通過將訊號反射到其源電路或將它們輻射到自由空間中而造成相當大的損耗，從而對射頻和微波PCB板上的其他設備或系統造成干擾。

射頻PCB層壓板特性

PCB層壓板特性是射頻和微波PCB板效能的基礎。 可用的層壓板類型具有不同的特性，包括介電常數（dk）、損耗角正切和溫度係數。 這些因素都會影響您的射頻和微波PCB板在其生命週期內的效能。 這些特性會受到很多因素的影響，包括PCB資料的厚度、使用的基板類型，甚至是射頻和微波PCB板本身的層數。

RO4350B混壓疊層結構

選擇PCB層壓板時最重要的因素是確保它與您的射頻和微波PCB設計要求相容。 例如，如果您需要高頻效能，您可能需要選擇高介電常數資料，例如Rogers Core或PTFE層壓板。 但是，如果您不需要高頻效能，則較高dk因數的資料（例如FR4）可能足以滿足您的需求。

射頻和微波PCB的傳輸線和通孔

傳輸線用於將射頻訊號從一個地方傳導到另一個地方。 傳輸線具有不同的阻抗值，可以根據其電長度進行分類。 阻抗是由電感、電容和其他電力特性引起的電流阻力。 傳輸線通常由單個導體或一對導體（遮罩或非遮罩）組成。 傳輸線的阻抗取決於其物理長度和工作頻率。

傳輸線的主要目的是减少射頻和微波PCB上兩個設備之間轉換期間的訊號反射。 為此，您必須確保線路中沒有可能導致反射或駐波的不連續性。 這需要在您的射頻和微波PCB板佈局上放置組件並為您的應用選擇正確的傳輸線設計時進行仔細的設計規劃。

傳輸線共有三種：同軸電纜、微帶線和槽線。

同軸電纜

同軸電纜用於高達40 GHz的高頻應用，因為它們可以在整個頻寬範圍內處理高電流而幾乎沒有損耗。 同軸電纜通常由銅線製成，但也可以使用其他射頻和微波PCB資料，例如鍍銀銅，具體取決於應用的頻帶和功率要求。

微帶

微帶線是最常用的傳輸線。 它由射頻PCB層壓板一側的接地層和另一側的高架訊號走線組成。 地平面應該比訊號走線寬，所以它們之間沒有相互作用。 對於毫米波頻率，介電層的厚度至少應為1/4英寸，對於UHF或更高頻率，電介質層的厚度應至少為1/2英寸。 在較低頻率下，您可以使用更薄的電介質，例如FR-4或Rogers RO4350B，而不會因接地層和訊號走線之間的邊緣場而新增損耗。

帶狀線

帶狀線類似於微帶線，只是它在射頻PCB層壓板的一側或兩側沒有接地層。 它的損耗比微帶線小，因為兩個導體之間沒有邊緣場。 當高速訊號必須長距離傳輸時，通常使用帶狀線，而不會導致帶狀線彎曲處的阻抗不匹配或安裝在其末端的連接器產生反射。

電源平面間隙

電源平面間隙是兩個導電層之間的距離。 設計這種間隙的目的是减少不同訊號層之間或訊號層與接地平面或參攷平面之間的不希望有的耦合。 它還限制了相鄰跡線之間的干擾並防止相鄰訊號層之間的串擾。 它還有助於避免在尖角處產生電弧或火花，這很危險並會影響電路的效能。

電源層的最小建議間隙為距任何其他訊號層0.15mm，包括同一層上的過孔。 例如，如果有兩個訊號層非常接近，那麼您應該確保它們之間至少有0.15mm的距離，以免由於附近的過孔或走線的電容耦合或電感耦合效應而造成它們之間的任何干擾問題在這兩層上。

今天愛彼電路對與射頻和微波PCB製造相關的射頻和微波PCB設計和組裝挑戰進行一般性分享。 根據您是設計複雜的射頻和微波PCB板還是使用超小型組件，挑戰各不相同。 儘管我們在這裡介紹的內容遠非全面，但希望它為有興趣瞭解更多有關射頻和微波PCB的任何人提供了一個有用的起點。 關注愛彼電路瞭解更多資訊，開始您的下一個射頻和微波PCB項目。