高頻PCB設計需要注意的細節

摘要：此文從線寬、過孔、線間串擾、屏蔽等四個方面說明高頻PCB設計需要注意的細節，并列舉出幾個有代表性的高頻板PCB板材選取實例以供參考。

高頻板PCB設計工藝

（1）傳輸線線寬

高頻板PCB設計傳輸線線寬設計需要基于阻抗匹配理論。

圖一??阻抗匹配

當入出阻抗以及傳輸線阻抗匹配時，系統輸出功率最大（信號總功率最?。?，入出反射最小。對于微波電路，阻抗匹配設計還需要考慮器件的工作點。信號線過孔會引起阻抗傳輸特性變化，TTL、CMOS邏輯信號線特性阻抗高，這種影響不計。但在50歐姆等低阻抗、高頻電路這種影響需要考慮到，一般要求信號線沒有過孔。

（2）傳輸線線間串擾

當兩根平行微帶線間距很小時產生偶合，引起彼此線間串擾并且影響傳輸線特性阻抗。對于50歐姆和75歐姆高頻電路尤其需要注意，并在電路設計上采取措施。實際電路設計中還用到這種偶合特性，如手機發射功率測量和功率控制就是一例。下面的分析對高頻電路和ECL高速數據（時鐘）線有效，對微小信號電路（如精密運算放大電路）有參考價值。

圖二??傳輸線線間串擾

設線間偶合度為C，C的大小與εr、W/d、S、平行線長L有關。間距S愈小，偶合愈強；L愈長、偶合愈強。為了增加感性認識，舉例：利用這種特性做成的50歐姆定向偶合器。如1.97GHz PCS頻端基站功率放大器,其中d=30 mil、????? εr=3.48：

10dB定向偶合器PCB尺寸：S=5mil,l=920mil,W=53mil

20dB定向偶合器PCB尺寸：S=35mil,l=920mil,W=62mil

為了減小信號線間串擾，給出如下建議：

A、高頻或高速數據平行信號線間距離S是線寬的一倍以上。

B、盡量減少信號線間平行的長度。

C、高頻小信號、微弱信號避開電源和邏輯信號線等強干擾源。

（3）接地過孔電磁分析。

無論IC器件管腳接地還是其它阻容器件接地，在高頻電路中都要求接地過孔盡可能地靠近管腳，其理論依據是：高頻信號接地線通路以理想傳輸線終端接地等效，其駐波狀態如圖三所示。

圖三??駐波狀態圖

由于接地線很短，接地傳輸線相當于一個感性阻抗（n-pH量級），同時接地過孔也近似相當于一個感性阻抗，這影響了對高頻信號濾波功效。這是接地過孔盡可能地靠近管腳的原因。為了減小傳輸線感性負載，微波電路要求接地管腳的過孔多于一個，相當于在低頻電路中增加接地面電流能力，保證各接地點均為等0電平。

（4）電源濾波

TTL、CMOS電路為了減少信號邏輯對電源的影響（過沖），在靠近電源管腳處加濾波電容。但在高頻、微波電路中僅僅采取這種措施還不夠。下面以制造工藝為例說明高頻信號對電源的干擾。

圖四???????高頻信號對電源產生高頻干擾的方式

這兩種方式的高頻信號均對電源產生高頻干擾，并影響其它功能電路。除了電源管腳加濾波電容外，還需要串聯電感的抑制高頻干擾。串聯電感的選取與工作頻率有關。依據是如果電源腳過濾1M以上的高頻干擾，其中C=0.1uF，則選取L=1uH電感。在外加電源的集電極開路信號管腳加電感時請慎重，因為此時的電感相當于一個匹配用的電感。

（5）屏蔽

在微小信號和高頻信號的PCB設計中需采取屏蔽措施以減少大信號（如邏輯電平）干擾或減少高頻信號的電磁輻射。如：

A、??數字、模擬低頻（小于30MHz）小信號PCB設計中，除了在數字地和模擬地分割外，還需對小信號布線區鋪地，地與信號線間隔大于線寬。

B、??數字、模擬高頻小信號PCB設計中，還需在高頻部分加屏蔽罩或鋪地過孔隔離措施。

C、??高頻大信號PCB設計中，高頻部分需以獨立的功能模塊設計并加屏蔽盒以減少高頻信號對外的輻射。如光纖155M、622M、2Gb/s的收發模塊。

多層PCB布板（諾基亞6110），雙面放器件，手機PCB設計如圖五所示。

圖五??手機PCB設計示例

高板PCB板材選取舉例

下邊以我們設計調試的高頻（微波）PCB為例說明板材選取。

（1）2.4GHz擴頻數字微波中繼板材選取

其結構包括2M數字接口、20M擴頻解擴、70M中頻調制解調板。我們采用FR4板材，四層PCB板，大面積鋪地，高頻模擬部分電源采用電感扼流圈與數字部分隔離。

2.4GHz射頻收發信機采用F4雙面板，收發分別用金屬盒屏蔽，電源入端濾波。

（2）1.9GHz射頻收發信機

其中，功率放大器采用PTFE板材，雙面PCB板；射頻收發信機采用PTFE板材，四層PCB板。都是采用大面積鋪地，功能模塊屏蔽罩隔離措施。

（3）140MHz中頻收發信機

頂層用0.3mm的S1139板材，大面積鋪地，過孔隔離。

（4）70MHz中頻收發信機

采用FR4板材，四層PCB板。大面積鋪地，功能模塊隔離帶用一串過孔隔離。

（5）30W功率放大器

采用RO4350板材，雙面PCB板。大面積鋪地，間距約束大于等于50歐姆線寬，用金屬盒屏蔽，電源入端濾波。

（6）2000MHz微波頻率源?

采用0.8mm厚的S1139板材，雙面PCB板。

結束語：當下市場上無線領域的器件涉及廣泛，應用較為復雜，尤其是當前無線通信市場競爭激烈，產品的價格和面市時間越來越成為競爭焦點，因此，電子工程師的PCB設計不能單純考慮技術的先進性，必須從多方面折中考慮，平衡技術先進性、價格優勢和縮短產品上市時間等關鍵因素，提高產品的競爭力。

審核編輯：湯梓紅