單片射頻器件大大方便了一定范圍內(nèi)無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用，采用合適的微控制器和天線并結(jié)合此收發(fā)器件即可構(gòu)成完整的無(wú)線通信鏈路。

它們可以集成在一塊很小的電路板上，應(yīng)用于無(wú)線數(shù)字音頻、數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無(wú)線遙控和遙測(cè)系統(tǒng)，無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線安全防范系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。

1、數(shù)字電路與模擬電路的潛在矛盾

如果模擬電路（射頻） 和數(shù)字電路（微控制器） 單獨(dú)工作可能各自工作良好，但是一旦將兩者放在同一塊電路板上，使用同一個(gè)電源供電一起工作，整個(gè)系統(tǒng)很可能就會(huì)不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)頻繁的在地和正電源（大小3 V） 之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是ns 級(jí)的。

由于較大的振幅和較小的切換時(shí)間，使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量的且獨(dú)立于切換頻率的高頻成分。而在模擬部分，從天線調(diào)諧回路傳到無(wú)線設(shè)備接收部分的信號(hào)一般小于1μV。

因此數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)之間的差別將達(dá)到10-6（120 dB） 。顯然，如果數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)不能很好的分離，微弱的射頻信號(hào)可能遭到破壞，這樣一來(lái)，無(wú)線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作。

2、RF電路和數(shù)字電路做在同塊PCB上的常見問(wèn)題

不能充分的隔離敏感線路和噪聲信號(hào)線是常常出現(xiàn)的問(wèn)題。如上所述，數(shù)字信號(hào)具有高的擺幅并包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數(shù)字信號(hào)布線鄰近敏感的模擬信號(hào)，高頻諧波可能會(huì)耦合過(guò)去。

RF 器件的最敏感節(jié)點(diǎn)通常為鎖相環(huán)（ PLL） 的環(huán)路濾波電路，外接的壓控振蕩器（VCO） 電感，晶振基準(zhǔn)信號(hào)和天線端子，電路的這些部分應(yīng)該特別仔細(xì)處理。

（1） 供電電源噪聲

由于輸入/ 輸出信號(hào)有幾V 的擺幅，數(shù)字電路對(duì)于電源噪聲（小于50 mV） 一般可以接受。而模擬電路對(duì)于電源噪聲卻相當(dāng)敏感，尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。

因此，在包含RF（或其他模擬） 電路的PCB 板上的電源線布線必須比在普通數(shù)字電路板上布線更加仔細(xì)，應(yīng)避免采用自動(dòng)布線。同時(shí)也應(yīng)注意到，微控制器（或其他數(shù)字電路） 會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸入大部分電流，這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS 工藝設(shè)計(jì)。

因此，假設(shè)一個(gè)微控制器以1 MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行，它將以此頻率從電源提?。}沖） 電流，如果不采取合適的電源去耦，必將引起電源線上的電壓毛刺。

如果這些電壓毛刺到達(dá)電路RF 部分的電源引腳，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致工作失效，因此必須保證將模擬電源線與數(shù)字電路區(qū)域隔開。

（2） 不合理的地線

RF 電路板應(yīng)該總是布有與電源負(fù)極相連的地線層，如果處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。

對(duì)于一個(gè)數(shù)字電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)這也許難于理解，因?yàn)榧词箾]有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在RF 頻段，即使一根很短的線也會(huì)如電感一樣作用。

粗略計(jì)算，每mm 長(zhǎng)度的電感量約為1 nH ， 434 MHz 時(shí)10 mmPCB 線路的感抗約為27 Ω。如果不采用地線層，大多數(shù)地線將會(huì)較長(zhǎng)，電路將無(wú)法保證設(shè)計(jì)特性。

（3） 天線對(duì)其他模擬部分的輻射

在包含射頻和其他部分的電路中，這一點(diǎn)經(jīng)常被忽略。除了RF 部分，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多微控制器內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 用于測(cè)量模擬輸入以及電池電壓或其他參數(shù)。

如果射頻發(fā)送器的天線位于此PCB 附近（或就在此PCB 上） ，發(fā)出的高頻信號(hào)可能會(huì)到達(dá)ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線路都可能如天線一樣發(fā)出或接收RF 信號(hào)。

如果ADC 輸入端處理不合理，RF 信號(hào)可能在ADC輸入的ESD二極管內(nèi)自激，從而引起ADC 的偏差。

3RF電路和數(shù)字電路做在同塊PCB上的解決方案

以下給出在大多數(shù)RF 應(yīng)用中的一些通用設(shè)計(jì)和布線策略。然而，遵循實(shí)際應(yīng)用中RF 器件的布線建議更為重要。

（1） 一個(gè)可靠的地線層面

當(dāng)設(shè)計(jì)有RF 元件的PCB 時(shí)，應(yīng)該總是采用一個(gè)可靠的地線層。其目的是在電路中建立一個(gè)有效的0 V 電位點(diǎn)，使所有的器件容易去耦。供電電源的0 V 端子應(yīng)直接連接在此地線層。由于地線層的低阻抗，已被去耦的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間將不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)耦合。

對(duì)于板上多個(gè)信號(hào)幅值可能相差120 dB ，這一點(diǎn)非常重要。在表面貼裝的PCB 上，所有信號(hào)布線在元件安裝面的同一面，地線層則在其反面。理想的地線層應(yīng)覆蓋整個(gè)PCB （ 除了天線PCB 下方） 。

如果采用兩層以上的PCB ，地線層應(yīng)放置在鄰近信號(hào)層的層上（如元件面的下一層） 。另一個(gè)好方法是將信號(hào)布線層的空余部分也用地線平面填充，這些地線平面必須通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與主地線層面連接。

需要注意的是：由于接地點(diǎn)的存在會(huì)引起旁邊的電感特性改變，因此選擇電感值和布置電感是必須仔細(xì)考慮的。

（2） 縮短與地線層的連接距離

所有對(duì)地線層的連接必須盡量短，接地過(guò)孔應(yīng)放置在（或非常接近） 元件的焊盤處。

決不要讓兩個(gè)地信號(hào)共用一個(gè)接地過(guò)孔，這可能導(dǎo)致由于過(guò)孔連接阻抗在兩個(gè)焊盤之間產(chǎn)生串?dāng)_。

（3） RF 去耦

去耦電容應(yīng)該放置在盡可能靠近引腳的位置，每個(gè)需要去耦的引腳處都應(yīng)采用電容去耦。采用高品質(zhì)的陶瓷電容，介電類型最好是“ NPO” ， “ X7R” 在大多數(shù)應(yīng)用中也能較好工作。理想的選擇電容值應(yīng)使其串聯(lián)諧振等于信號(hào)頻率。

例如434 MHz 時(shí)，SMD 貼裝的100 p F 電容將良好工作，此頻率時(shí)，電容的容抗約為4 Ω，過(guò)孔的感抗也在同樣范圍。串聯(lián)的電容和過(guò)孔對(duì)于信號(hào)頻率形成一個(gè)陷波濾波器，使之能有效的去耦。

868 MHz 時(shí)，33 p F 電容是一個(gè)理想的選擇。除了RF 去耦的小值電容，一個(gè)大值電容也應(yīng)放置在電源線路上去耦低頻，可選擇一個(gè)2. 2 μF陶瓷或10μF 的鉭電容。

（4） 電源的星形布線

星形布線是模擬電路設(shè)計(jì)中眾所周知的技巧（如圖1所示） 。

星形布線———電路板上各模塊具有各自的來(lái)自公共供電電源點(diǎn)的電源線路。在這種情況下，星形布線意味著電路的數(shù)字部分和RF 部分應(yīng)有各自的電源線路，這些電源線應(yīng)在靠近IC 處分別去耦。

這是一個(gè)隔開來(lái)自數(shù)字部分和來(lái)自RF 部分電源噪聲的有效方法。如果將有嚴(yán)重噪聲的模塊置于同一電路板上，可以將電感（磁珠） 或小阻值電阻（10 Ω） 串聯(lián)在電源線和模塊之間，并且必須采用至少10 μF 的鉭電容作這些模塊的電源去耦。這樣的模塊如RS 232 驅(qū)動(dòng)器或開關(guān)電源穩(wěn)壓器。

圖1 電源的星形布線

（5） 合理安排PCB 布局

為減小來(lái)自噪聲模塊及周邊模擬部分的干擾，各電路模塊在板上的布局是重要的。

應(yīng)總是將敏感的模塊（ RF部分和天線） 遠(yuǎn)離噪聲模塊（微控制器和RS 232 驅(qū)動(dòng)器）以避免干擾。

（6） 屏蔽RF 信號(hào)對(duì)其他模擬部分的影響

如上所述，RF 信號(hào)在發(fā)送時(shí)會(huì)對(duì)其他敏感模擬電路模塊如ADC 造成干擾。大多數(shù)問(wèn)題發(fā)生在較低的工作頻段（如27 MHz） 以及高的功率輸出水平。

用RF 去耦電容（100p F） 連接到地來(lái)去耦敏感點(diǎn)是一個(gè)好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

（7） 在板環(huán)形天線的特別考慮

天線可以整體做在PCB 上。對(duì)比傳統(tǒng)的鞭狀天線，不僅節(jié)省空間和生產(chǎn)成本，機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。

慣例中，環(huán)形天線（loop antenna） 設(shè)計(jì)應(yīng)用于相對(duì)較窄的帶寬，這有助于抑制不需要的強(qiáng)信號(hào)以免干擾接收器。應(yīng)注意到環(huán)形天線（正如所有其他天線） 可能收到由附近噪聲信號(hào)線路容性耦合的噪聲。

它會(huì)干擾接收器，也可能影響發(fā)送器的調(diào)制。因此在天線附近一定不要布數(shù)字信號(hào)線路，并建議在天線周圍保持自由空間。接近天線的任何物體都將構(gòu)成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的一部分，而導(dǎo)致天線調(diào)諧偏離預(yù)想的頻點(diǎn)，使收發(fā)輻射范圍（距離） 減小。

對(duì)于所有的各類天線必須注意這一事實(shí)，電路板的外殼（外圍包裝） 也可能影響天線調(diào)諧。同時(shí)應(yīng)注意去除天線面積處的地線層面，否則天線不能有效工作。

（8） 電路板的連接

如果用電纜將RF 電路板連接到外部數(shù)字電路，應(yīng)使用雙絞線纜。每一根信號(hào)線必須和GND 線雙絞在一起（DIN/ GND ， DOUT/ GND ， CS/ GND ， PWR _ UP/ GND） 。

切記將RF 電路板和數(shù)字應(yīng)用電路板用雙絞線纜的GND線連接起來(lái)，線纜長(zhǎng)度應(yīng)盡量短。給RF 電路板供電的線路也必須與GND 雙絞（VDD/ GND） 。

4結(jié)論

迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事無(wú)線數(shù)字音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無(wú)線遙控、遙測(cè)系統(tǒng)，無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線安全防范系統(tǒng)等設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員解決無(wú)線應(yīng)用的瓶頸提供了最大的可能。

同時(shí)，射頻電路的設(shè)計(jì)又要求設(shè)計(jì)者具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)能力。本文是從業(yè)者在實(shí)際開發(fā)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)分享，希望可以幫助眾多射頻集成電路開發(fā)者縮短開發(fā)周期，避免走不必要的彎路，節(jié)省人力和財(cái)力。
編輯：hfy