創(chuàng)新技術(shù)正在加速物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展和采用，尤其是將微控制器（MCU）與無線連接相結(jié)合的“片上系統(tǒng)”（SoC）設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代SoC使設(shè)計(jì)人員能夠提供高性能網(wǎng)絡(luò)，并以比以往更快，更便宜的方式將新系統(tǒng)設(shè)計(jì)推向市場。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必須通過確保其無線電頻率，最大限度地提高無線通信性能 - 無論使用哪種協(xié)議（RF）電路和電路板布局得到了全面優(yōu)化。

這不是一件容易的事，因?yàn)槟胍l(fā)送和接收的RF信號(hào)可能不是唯一存在的信號(hào)：開關(guān)電源或MCU例如，時(shí)鐘也可以產(chǎn)生RF信號(hào)。糟糕的設(shè)計(jì)會(huì)妨礙設(shè)備的通信范圍，或者需要更高功率的傳輸來進(jìn)行補(bǔ)償。在電池供電的設(shè)備中，第二種選擇會(huì)產(chǎn)生不希望的縮短電池壽命的效果。此外，以更高功率進(jìn)行傳輸可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，這可能會(huì)干擾其他設(shè)備或違反法規(guī)要求。

這就是為什么產(chǎn)品制造商需要了解良好無線通信的一些關(guān)鍵推動(dòng)因素，以及他們的電路布局如何影響這些推動(dòng)因素。本文將介紹一些有助于設(shè)計(jì)人員從其產(chǎn)品中提供最佳RF性能的最佳實(shí)踐。在整篇文章中，我們將參考電路板布局來容納來自Silicon Labs的EFR32無線Gecko SoC。

什么會(huì)影響RF性能？

如何布局RF印刷電路板（PCB）的一部分可能對(duì)器件的RF性能產(chǎn)生巨大影響。首先，問題在于RF元件的位置以及它們與其他元件的距離。這會(huì)影響不需要的信號(hào)的耦合。

其次，RF和非RF走線（特別是電源線）的路徑和尺寸都會(huì)產(chǎn)生影響。

第三種是天線。

其他因素包括接地金屬化和PCB的物理特性，包括其厚度，層數(shù)和介電常數(shù)。 PCB上的電源轉(zhuǎn)換器，MCU時(shí)鐘電路和其他組件也會(huì)導(dǎo)致RF頻譜中過多的雜散信號(hào)，從而降低靈敏度。因此，設(shè)計(jì)人員必須實(shí)現(xiàn)濾波器以將所需信號(hào)與不需要的信號(hào)分開，并阻止后者到達(dá)RF路徑。

為了幫助理解如何過濾信號(hào)，設(shè)計(jì)人員必須理解射頻電路功能。集成電路（IC）中的無線電由發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）組成。 Tx旨在將最大量的所需信號(hào)推向天線。在RF IC和負(fù)載之間使用阻抗變換，尋求確保在基頻處輻射的最大功率量，同時(shí)盡可能地減少耗散損耗。您可以使用由并聯(lián)電容和串聯(lián)電感組成的組合匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)此目的。

當(dāng)您在2.4 GHz工作時(shí)，Tx功率水平超過13 dBm時(shí)，最好使用四元素梯形圖（參見圖1）。在較低功率下，雙元素L-C網(wǎng)絡(luò)可能就足夠了。在接收模式下，Rx通過使用相同的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)最大靈敏度。

圖1：這是一個(gè)2.4 GHz的四元件發(fā)射機(jī)匹配網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)計(jì)電路板的RF部分：需要考慮的事項(xiàng)

許多SoC供應(yīng)商都提供參考設(shè)計(jì)，這些參考設(shè)計(jì)旨在提供最佳的RF性能。但是，存在一個(gè)兩難選擇：尺寸和形狀因素限制意味著您無法始終將設(shè)計(jì)直接復(fù)制到產(chǎn)品中。另一方面，調(diào)整它可能會(huì)影響RF性能：在我們這里討論的高頻范圍內(nèi)，改變?cè)g的距離和改變PCB走線長度可能會(huì)引入寄生電感。跡線之間的不同間隙或使用不同厚度的襯底會(huì)帶來寄生電容。同時(shí)，改變組件的相對(duì)取向或它們之間的間距會(huì)影響信號(hào)耦合。交換元件的類型或尺寸可能會(huì)引入不同的元件寄生效應(yīng)。

不良設(shè)計(jì)也會(huì)使匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)以及晶體的負(fù)載失諧。這可能導(dǎo)致Tx輸出功率和Rx靈敏度降低，同時(shí)增加電流消耗，雜散發(fā)射和不同電路板之間的頻率偏移。您可以通過測量傳導(dǎo)和輻射信號(hào)來觀察這些因素。

請(qǐng)記住，您遇到的任何問題可能不僅僅是在PCB的RF部分。當(dāng)您考慮射頻輻射時(shí)，您需要考慮整個(gè)電路板設(shè)計(jì)，因?yàn)榈仄矫婧推渌蛩貢?huì)影響傳輸信號(hào)的功率，特別是如果您使用單極天線。地平面的屏蔽效應(yīng)和非RF PCB走線都會(huì)影響輻射雜散的水平;確保將這些保持在EMC限制范圍內(nèi)。

最后，請(qǐng)記住，即使您正在使用與SoC供應(yīng)商建議完全相同的參考設(shè)計(jì)，您仍需要仔細(xì)設(shè)計(jì)PCB外部的其他元素參考設(shè)計(jì)，并考慮它們?nèi)绾斡绊懰?/p>

如何根據(jù)最佳實(shí)踐設(shè)計(jì)PCB的RF部分

如果您不能使用參考設(shè)計(jì)它的原始形式，遵循一套最佳實(shí)踐指南將增加您成功的機(jī)會(huì)。

匹配網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)元素應(yīng)盡可能靠近RF IC的Tx輸出引腳。其他組件也應(yīng)該緊密相連。您希望連接這些元素的跡線寬度等于焊盤寬度 - 對(duì)于0402尺寸的表面貼裝器件，通常為0.5 mm。

圖2：這是一個(gè)2.4 GHz EFR32電路板，其中重要元素突出顯示。

必須在每個(gè)電源引腳上正確放置去耦電容。將最低值的旁路電容放置在最靠近IC引腳的位置，使用良好的接地和多個(gè)過孔到接地層。使用電容約為100 nF的旁路電容可以抑制時(shí)鐘信號(hào)（高達(dá)數(shù)十MHz）。如果不這樣做，這些信號(hào)可能會(huì)被上變頻并在載波頻率周圍產(chǎn)生不希望的雜散。

具有最高值的電容（濾除開關(guān)電源的干擾）可以更遠(yuǎn)來自電源引腳，電池供電套件中根本不需要。

您的晶體應(yīng)盡可能靠近RF IC。通過多個(gè)過孔將其外殼連接到地面。在VDD走線和晶振之間使用隔離接地金屬。

正確連接接地連接是必不可少的。加厚電容器接地引腳附近的走線，并在這些接地引腳附近加入額外的過孔，連接到底層或內(nèi)層接地層。

同樣，您應(yīng)該使用多個(gè)過孔將裸露焊盤接地RF IC焊盤的占位面積，也可用作散熱器。圖2中的示例具有7 x 7 mm IC封裝，帶有25個(gè)過孔，每個(gè)過孔的直徑為0.25 mm。理想情況下，您的焊盤接地應(yīng)鏈接到頂層接地金屬，可能通過IC封裝的邊角使用對(duì)角線走線連接。有時(shí)，信號(hào)可以耦合在附近濾波電容器的接地連接之間;如果將這些連接到傳輸線兩側(cè)的接地端，可以避免此問題。

在匹配的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，在焊盤和相鄰的接地澆口之間保持至少0.5 mm，如以及痕跡之間。如果您使用的是四層PCB，請(qǐng)?zhí)畛淦ヅ渚W(wǎng)絡(luò)下面區(qū)域的第一個(gè)內(nèi)層（頂層下方）和連續(xù)接地金屬的RF IC。最好不要阻止Tx/Rx匹配網(wǎng)絡(luò)接地過孔與RF IC焊盤之間的接地回路。您需要一條清晰的RF IC返回路徑。

要考慮的最后一個(gè)方面是RF部分本身。當(dāng)您連接到板載天線，天線連接器或任何其他RF組件時(shí)，請(qǐng)使用50歐姆接地共面?zhèn)鬏斁€。除此之外，這將減少不需要的輻射，您可以通過在耦合器線附近放置多個(gè)接地過孔來進(jìn)一步減少輻射。

圖3顯示了如何使用傳輸線。

設(shè)計(jì)整體PCB：需要考慮的事項(xiàng)

除了PCB的RF部分外，您還可以通過多種方式提高性能。對(duì)于初學(xué)者，將連續(xù)接地金屬化從RF區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)PCB。

通過幫助確保正確的VDD濾波，在整個(gè)接地區(qū)域保持RF電壓電位相等將有助于實(shí)現(xiàn)良好的RF接地。如果您使用單極型天線，這也將為他們提供良好的地平面。用接地金屬填充任何間隙，并在底層和頂層連接產(chǎn)生的部分，盡可能多的過孔。

您還需要在接地金屬區(qū)域的邊緣部署多個(gè)接地過孔，特別是在電源走線（參見圖3）和PCB邊緣周圍。這將減少邊緣場可能引起的諧波輻射。

如果您的電路板有三層或更多層，請(qǐng)將所有走線（特別是電源走線）或電線放在內(nèi)層。通過在頂層和底層使用盡可能多的連續(xù)接地金屬化，可以最大限度地減少這些跡線的輻射。

最后，盡可能保持電源走線遠(yuǎn)離PCB邊緣。

圖3：此電路板布局顯示電路板邊緣的傳輸線和接地過孔。

結(jié)論

無線連接在現(xiàn)代生活中起著至關(guān)重要的作用 - 從我們?nèi)粘Ｊ褂玫南M(fèi)類電子產(chǎn)品到不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)尤其依賴于能夠有效地（通常通過本地接入點(diǎn)）將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，只使用一個(gè)小電池作為電源。

使這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，互聯(lián)的世界可能，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師需要強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)的無線通信方法。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方法之一是使用可輕松構(gòu)建到更大產(chǎn)品中的SoC。但為了使整體設(shè)計(jì)正確，產(chǎn)品制造商必須仔細(xì)考慮RF電路的構(gòu)成和布局 - 這個(gè)領(lǐng)域在最好的時(shí)候都具有挑戰(zhàn)性。

一個(gè)好的起點(diǎn)是使用SoC供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)，但這并不總是可行的。因此，設(shè)計(jì)人員需要了解并實(shí)施RF設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐。這將有助于確保他們實(shí)現(xiàn)所需的通信性能，同時(shí)保持其功率預(yù)算和監(jiān)管要求。