王偉濤

（陜西烽火電子股份有限公司 寶雞研發(fā)中心，陜西 寶雞 721006）

0 引 言

近年來(lái)，射頻電路元器件密度越來(lái)越高，當(dāng)數(shù)字器件、微波器件、大功率和小功率射頻組件等不同類型的器件集成在同一塊PCB上，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，如諧波干擾、信號(hào)串?dāng)_、噪聲惡化、靈敏度下降等情況，因此，如何抑制干擾設(shè)計(jì)是射頻電路的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 射頻電路干擾的來(lái)源

1.1 電源干擾

射頻電路中，高頻信號(hào)受電源上的噪聲干擾影響較為明顯。如圖1所示，（a）為理論上的電源，是直流并且很干凈，但實(shí)際上如圖（b），實(shí)際電源有一些阻抗，且在整個(gè)電源上，阻抗都是分布的。在電源線上，電源特性噪聲也會(huì)出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。

射頻電路中，對(duì)電源性能要求紋波小而且噪聲低，“干凈”的電源和“干凈”的地是一樣重要的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡最大可能地去減小來(lái)自電源的阻抗，尤其是在高頻電子線路設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用專用的接地層和電源層，電源多以“層”的方式設(shè)計(jì)，因此信號(hào)環(huán)回路是沿著最小阻抗的路徑回流。另外，電源還得為PCB電路上所有生成和回流的信號(hào)提供環(huán)路，這樣的設(shè)計(jì)以便信號(hào)環(huán)路最小化，從而減小信號(hào)噪聲對(duì)外的電磁干擾。

1.2 地線干擾

一般的數(shù)字電路設(shè)計(jì)要求可以不用專門的接地層，大多數(shù)數(shù)字電路也能工作正常，但在射頻電路中，不太長(zhǎng)的地線也會(huì)產(chǎn)生寄生電感和寄生電容。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，地線經(jīng)常會(huì)受到數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲干擾，當(dāng)電流流經(jīng)地線時(shí)，在地平面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差造成回路，使得電信號(hào)與磁信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而形成干擾源，最終影響整個(gè)射頻電路的性能。

圖2為公共阻抗耦合通道示意圖，其被干擾設(shè)備和干擾源經(jīng)常共用總線、環(huán)路電源、公共地等，在這樣的通道上，下降的Ic電流會(huì)在電流回路中串聯(lián)，造成共模Urm電壓的產(chǎn)生，從而影響到接收機(jī)。

共模電壓在串聯(lián)“地”環(huán)路中的計(jì)算公式為：

式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ΔB為其變化量。若改為電磁場(chǎng)，已知它的電場(chǎng)值時(shí)，其感應(yīng)電壓為：

公式適用于L(m)=150 MHz以下，超過(guò)150 MHz頻率以上，最大的感應(yīng)電壓計(jì)算公式為：

1.3 PCB“天線”輻射干擾

大多數(shù)時(shí)候PCB上的印制線僅作為信號(hào)傳輸?shù)耐?，并不是“天線”。但在高頻情況下，PCB電路板上印制線的分布電容及分布電感會(huì)起作用。當(dāng)印制走線長(zhǎng)度超過(guò)信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的時(shí)，則會(huì)造成一種“天線”效應(yīng)，對(duì)應(yīng)的噪聲會(huì)沿著PCB印制線向外部輻射，最后通過(guò)自由空間直接輻射能量[1]。

如圖3所示，在某PCB敷銅的處理上，僅在銅皮的開(kāi)始部分放置了幾個(gè)過(guò)孔，把這個(gè)銅皮連接到了地層上，其他地方?jīng)]有打過(guò)孔。

實(shí)際測(cè)量中PCB上存在一個(gè)22 MHz左右的干擾源，而敷設(shè)的銅皮作為“天線”接收到了這個(gè)信號(hào)，同時(shí)，該銅皮又作為發(fā)射“天線”向外部發(fā)射很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)。

頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系為：

式中，f為頻率；λ為波長(zhǎng)；c為光速，等于3×108m/s。

對(duì)于22 MHz的信號(hào)，其波長(zhǎng)λ為13.6 m，λ/20為68 cm。而產(chǎn)品中敷銅太長(zhǎng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生“天線”效應(yīng)。

對(duì)于500 MHz的信號(hào)，其波長(zhǎng)為60 cm，λ/20=3 cm。也就是說(shuō)，PCB上3 cm長(zhǎng)的布線，就可能形成“天線”。

因此，在射頻電路板中，這種一端懸空的長(zhǎng)條地會(huì)等效成天線向空間輻射，最終造成接收機(jī)性能指標(biāo)變差或者EMC測(cè)試無(wú)法通過(guò)。

1.4 數(shù)字和射頻間干擾

一般情況下，射頻電路和數(shù)字電路位于不同的PCB板上，各單元都能夠正常工作。但如果把數(shù)字和射頻單元放在同一個(gè)PCB板上，采用同一個(gè)電源供電，往往就會(huì)造成各種問(wèn)題。

數(shù)字電路中大多數(shù)集成器件都是CMOS門電路，在每個(gè)時(shí)鐘周期上會(huì)短時(shí)間產(chǎn)生跳變電流，此時(shí)，電源上就會(huì)出現(xiàn)一些毛刺，含大量的高頻成分。射頻接收電路中輸入信號(hào)一般非常微弱，若數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的高頻分量剛好進(jìn)入接收信道中，在這種情況下，如果不對(duì)輸入端進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理，射頻信號(hào)就有可能被干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能指標(biāo)造成影響功能性能降低。

如圖4所示，是用于信號(hào)回路的數(shù)模間跨越。一般射頻模擬器件與數(shù)字器件要分開(kāi)，之所以要分區(qū)域，因?yàn)樯漕l模擬器件對(duì)噪音是非常敏感的，尤其是在射頻器件所需電源和數(shù)字器件所需電源的入口一起。若信號(hào)必須要穿越數(shù)字電路部分和模擬電路，一種比較好的辦法是在信號(hào)跨越處，放置一條回路，用來(lái)以降低環(huán)路面積。

2 射頻電路抗干擾的設(shè)計(jì)

射頻電路尤其是接收信道，對(duì)噪聲信號(hào)十分敏感，進(jìn)行射頻電路抗干擾設(shè)計(jì)主要包括電源設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和屏蔽設(shè)計(jì)。

2.1 電源設(shè)計(jì)

進(jìn)行電源分割可以提高電源的隔離度，將數(shù)字電路對(duì)射頻電路的干擾降低。如果分割不好也會(huì)造成信號(hào)環(huán)路路徑增大，繼而又造成信號(hào)完整性變差。電源面分割應(yīng)避免分割后的環(huán)路路徑是否增大，回流信號(hào)對(duì)射頻模擬小信號(hào)干擾是否會(huì)增大[2]。在PCB層數(shù)允許的情況下，可將電源平面分層，這樣出現(xiàn)不同電源對(duì)射頻信號(hào)產(chǎn)生的影響會(huì)大大降低，能有效提高射頻信號(hào)抗干擾能力。

不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問(wèn)題一定要設(shè)法避免，難以避免時(shí)可考慮中間隔地層。

如圖5所示，某射頻電路電源層有3種定義，在設(shè)計(jì)中分別進(jìn)行了區(qū)域分割處理。

在工程應(yīng)用中，不論一塊PCB電路中設(shè)計(jì)有多少種不同的電源，強(qiáng)烈建議將電源采用分割的方式，而且只設(shè)計(jì)一個(gè)電源層被使用。由于地與電源都是一種“參考平面”，“良好接地”的地與電源通過(guò)濾波電容實(shí)現(xiàn)，并且越多越好，如有些地方無(wú)法放置濾波電容，那么此時(shí)的 “接地”就不良好。

信號(hào)線與電源線設(shè)計(jì)中上都可以使用濾波方式來(lái)減小EMI，有3種方案可供選擇：磁性元件、EMI濾波器和去耦電容。圖6為常用EMI濾波器采取的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2 接地設(shè)計(jì)

射頻電路的干擾大多數(shù)是通過(guò)“地”造成的，因?yàn)椴煌仄矫嫔系脑肼暩蓴_不同。在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中，當(dāng)有電流流過(guò)模擬地平面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，從而產(chǎn)生一定的環(huán)路電流，最后形成環(huán)路干擾。不同功能的射頻電路共用同一個(gè)地線時(shí)，產(chǎn)生公共阻抗耦合和地噪聲。對(duì)于射頻PCB電路接地設(shè)計(jì)必須達(dá)到粗、直、短，其次射頻集成電路旁邊應(yīng)盡量進(jìn)行大面積敷銅處理，不同射頻單元之間最好能以地線進(jìn)行隔離，防止相互之間的信號(hào)耦合效應(yīng)。

在高頻電路中不要認(rèn)為，把地線的某個(gè)地方接了地就是“地線”。一定要以小于λ/20的間距，在布線上打過(guò)孔，與多層板的地平面“良好接地”。

對(duì)于一般的數(shù)字電路，按1 cm至2 cm的間距，對(duì)元件面或者焊接面的“鋪地層”打過(guò)孔，實(shí)現(xiàn)與地平面的良好接地，才能保證“鋪地層”不會(huì)產(chǎn)生有害的影響。

在高頻電路中，一些工程師通常把地線的某個(gè)地方接了地就認(rèn)為“地線”。正確的方式是在地線上以小于λ/20的間距打過(guò)孔，由地過(guò)孔與多層板的地平面進(jìn)行“充分接地”。

如圖7所示，在某產(chǎn)品初樣測(cè)試過(guò)程中，接收機(jī)性能始終無(wú)法滿足優(yōu)于-107 dBm靈敏度的要求，最終調(diào)試發(fā)現(xiàn)頻譜上信號(hào)帶寬2.5 MHz內(nèi)有個(gè)別頻率點(diǎn)達(dá)-95.2 dBm，對(duì)地線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，地噪聲干擾基本消除，測(cè)試靈敏度滿足系統(tǒng)指標(biāo)。

電源與地的“良好接地”是通過(guò)大量的濾波電容實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)有濾波電容的地方，就沒(méi)有“接地”。設(shè)備內(nèi)部的散熱器、金屬加固條、三端穩(wěn)壓器的散熱金屬塊，晶振附近的接地隔離帶，一定要良好接地。如果接地問(wèn)題處理好了，結(jié)果必然是“利大于弊”。

2.3 屏蔽設(shè)計(jì)

射頻信號(hào)是能夠在以空氣為介質(zhì)的環(huán)境中輻射。射頻信號(hào)的工作頻率越低，射頻器件的距離越大，則寄生耦合在輸入和輸出之間就越小，隔離度則越大。50 dB的隔離度是一般PCB 典型空間隔離要求。高輻射源電路以及比較敏感電路是要求加屏蔽的，但如果設(shè)計(jì)加工有困難時(shí)，或者空間、成本限制等，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和試驗(yàn)情況綜合考慮。

金屬屏蔽腔的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。此類屏蔽罩材料一般為薄的鋁合金，制造工藝一般采用沖壓折彎或壓力鑄造工藝，這種屏蔽罩有較多的螺釘孔，便于螺釘固定。部分需鋁合金蓋子和吸波材料增強(qiáng)屏蔽性能。射頻 PCB應(yīng)該安裝在屏蔽的腔體內(nèi)，對(duì)于屏蔽腔尺寸要設(shè)計(jì)適當(dāng)，屏蔽腔的最低諧振頻率應(yīng)該高于PCB射頻器件的工作頻率，最好是10 倍以上。屏蔽腔體的高度通常是第1層介質(zhì)厚度的 15～20 倍，當(dāng)屏蔽腔的面積被限制在一定范圍時(shí)，當(dāng)需要提高其最低諧振頻率，需要屏蔽腔增加長(zhǎng)寬比，但要避免設(shè)計(jì)成為正方形的腔體。

射頻屏蔽設(shè)計(jì)主要目的也是為了提高系統(tǒng)電磁兼容性。其中，關(guān)鍵在射頻電路部分的屏蔽設(shè)計(jì)措施，射頻電路工作頻率越高，干擾信號(hào)對(duì)其影響就越大。另外，射頻電路的功能不同，如振蕩器、低噪放、功率放大器等，同時(shí)工作時(shí)也會(huì)形成干擾，這些射頻電路在進(jìn)行PCB布線時(shí)，也需要一個(gè)屏蔽措施的設(shè)計(jì)。比如：（1）接收電路：射頻前端接收信號(hào)很微弱，需要對(duì)接收信道進(jìn)行屏蔽。（2）混頻電路：混頻電路是上變頻或下變頻產(chǎn)生中頻信號(hào)，須加屏蔽措施。（3）振蕩電路：是一種強(qiáng)烈輻射信號(hào)源，因?yàn)楸菊耠娖揭话惚容^大，對(duì)本振源要單獨(dú)進(jìn)行屏蔽，以防止較大輻射干擾到其他電路。（4）功放及天饋電路：也是一種強(qiáng)烈輻射源，發(fā)射的射頻信號(hào)很強(qiáng)，有必要進(jìn)行屏蔽。（5）數(shù)字電路：噪聲輻射源，數(shù)字高速信號(hào)上升或者下降沿會(huì)對(duì)模擬的射頻信號(hào)產(chǎn)生干擾。

屏蔽設(shè)計(jì)就是進(jìn)行屏蔽電路單元的劃分[3]，這就需要考慮不同器件的性能和作用，分析器件的工作狀態(tài)和對(duì)干擾源的敏感程度等?？傊?，對(duì)于功能不同、工作頻段不同的射頻電路，最好都進(jìn)行設(shè)計(jì)屏蔽措施，這樣就可以使干擾降到最低。

2.4 電路布局

射頻電路按照功能可分為數(shù)字單元、頻合單元、接收單元、電源單元等，數(shù)字電路往往具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但同時(shí)它本身又是一種干擾源，布局時(shí)應(yīng)盡量靠近接插件和電源；射頻電路帶寬越大，抗干擾能力越差，布局時(shí)主要考慮不被其他器件干擾。射頻PCB上實(shí)現(xiàn)同一功能的電路，應(yīng)盡可能放在同一區(qū)域，按照這樣的布局原則，某無(wú)線通信產(chǎn)品電路布局如圖9所示。

圖9的無(wú)線通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)接收單元、頻合單元、數(shù)字單元和電源單元進(jìn)行了區(qū)域劃分，即把功能不同、工作頻率不同的各個(gè)電路隔離開(kāi)，射頻電路的電源和數(shù)字電路電源可以充分分割，其工作地平面也進(jìn)行了相應(yīng)分割，在實(shí)際性能指標(biāo)測(cè)試中，這種設(shè)計(jì)即最大化地降低產(chǎn)品尺寸，而且系統(tǒng)雜散、接收靈敏度等性能指標(biāo)均優(yōu)于內(nèi)控指標(biāo)要求。

2.5 分層設(shè)計(jì)

隨著射頻電路的小型化和集成化，設(shè)計(jì)PCB時(shí)必須采用多層板設(shè)計(jì)，同種材料的4層板比雙層板噪聲低20 dB[4]。確定PCB層數(shù)后需要進(jìn)行電源、地及信號(hào)層的布局，通常在電源層旁邊安排一個(gè)完整的地層，不同電源層在空間上要避免重疊，主要是為了減少不同電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源之間。下面給出了6層板PCB信號(hào)分層抗干擾能力對(duì)比[5]，如圖10所示。

射頻多層PCB設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮消除傳輸線干擾，如圖11（b）所示，傳輸信號(hào)設(shè)計(jì)比較良好，因?yàn)閳D11（a）中的信號(hào)經(jīng)過(guò)了3次過(guò)孔處理，造成信號(hào)阻抗不連續(xù)，正確的做法是應(yīng)該盡可能減少信號(hào)線上的此類過(guò)孔。由于信號(hào)中的每個(gè)過(guò)孔都具有阻抗不連續(xù)的特性，就是傳輸線突變的點(diǎn)。另外信號(hào)設(shè)計(jì)如銳角、直拐角等應(yīng)盡量避免，應(yīng)盡可能地進(jìn)行走弧線、大彎角等。

3 結(jié) 論

對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，優(yōu)秀的射頻電路設(shè)計(jì)是一個(gè)比較難的過(guò)程，器件布局、布線、電源和接地處理得當(dāng)都能改善射頻電路產(chǎn)品的性能。通常，我們應(yīng)該遵循的原則如電源與地應(yīng)統(tǒng)一、慎重考慮布線連接、降低感性和容性串?dāng)_、抑制噪聲來(lái)滿足EMC等要求。

采用文章所屬的一些射頻抗干擾措施，一般可明顯消除射頻電路的電磁干擾。我們?cè)O(shè)計(jì)射頻電路時(shí)按照這些方法，就能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到使用要求，縮短產(chǎn)品研制周期。