高频PCB设计需要注意的细节

摘要：此文从线宽、过孔、线间串扰、屏蔽等四个方面说明高频PCB设计需要注意的细节，并列举出几个有代表性的高频板PCB板材选取实例以供参考。

高频板PCB设计工艺

（1）传输线线宽

高频板PCB设计传输线线宽设计需要基于阻抗匹配理论。

图一  阻抗匹配

当入出阻抗以及传输线阻抗匹配时，系统输出功率最大（信号总功率最小），入出反射最小。对于微波电路，阻抗匹配设计还需要考虑器件的工作点。信号线过孔会引起阻抗传输特性变化，TTL、CMOS逻辑信号线特性阻抗高，这种影响不计。但在50欧姆等低阻抗、高频电路这种影响需要考虑到，一般要求信号线没有过孔。

（2）传输线线间串扰

当两根平行微带线间距很小时产生偶合，引起彼此线间串扰并且影响传输线特性阻抗。对于50欧姆和75欧姆高频电路尤其需要注意，并在电路设计上采取措施。实际电路设计中还用到这种偶合特性，如手机发射功率测量和功率控制就是一例。下面的分析对高频电路和ECL高速数据（时钟）线有效，对微小信号电路（如精密运算放大电路）有参考价值。

图二  传输线线间串扰

设线间偶合度为C，C的大小与εr、W/d、S、平行线长L有关。间距S愈小，偶合愈强；L愈长、偶合愈强。为了增加感性认识，举例：利用这种特性做成的50欧姆定向偶合器。如1.97GHz PCS频端基站功率放大器,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

为了减小信号线间串扰，给出如下建议：

A、高频或高速数据平行信号线间距离S是线宽的一倍以上。

B、尽量减少信号线间平行的长度。

C、高频小信号、微弱信号避开电源和逻辑信号线等强干扰源。

（3）接地过孔电磁分析。

无论IC器件管脚接地还是其它阻容器件接地，在高频电路中都要求接地过孔尽可能地靠近管脚，其理论依据是：高频信号接地线通路以理想传输线终端接地等效，其驻波状态如图三所示。

图三  驻波状态图

由于接地线很短，接地传输线相当于一个感性阻抗（n-pH量级），同时接地过孔也近似相当于一个感性阻抗，这影响了对高频信号滤波功效。这是接地过孔尽可能地靠近管脚的原因。为了减小传输线感性负载，微波电路要求接地管脚的过孔多于一个，相当于在低频电路中增加接地面电流能力，保证各接地点均为等0电平。

（4）电源滤波

TTL、CMOS电路为了减少信号逻辑对电源的影响（过冲），在靠近电源管脚处加滤波电容。但在高频、微波电路中仅仅采取这种措施还不够。下面以制造工艺为例说明高频信号对电源的干扰。

图四       高频信号对电源产生高频干扰的方式

这两种方式的高频信号均对电源产生高频干扰，并影响其它功能电路。除了电源管脚加滤波电容外，还需要串联电感的抑制高频干扰。串联电感的选取与工作频率有关。依据是如果电源脚过滤1M以上的高频干扰，其中C=0.1uF，则选取L=1uH电感。在外加电源的集电极开路信号管脚加电感时请慎重，因为此时的电感相当于一个匹配用的电感。

（5）屏蔽

在微小信号和高频信号的PCB设计中需采取屏蔽措施以减少大信号（如逻辑电平）干扰或减少高频信号的电磁辐射。如：

A、  数字、模拟低频（小于30MHz）小信号PCB设计中，除了在数字地和模拟地分割外，还需对小信号布线区铺地，地与信号线间隔大于线宽。

B、  数字、模拟高频小信号PCB设计中，还需在高频部分加屏蔽罩或铺地过孔隔离措施。

C、  高频大信号PCB设计中，高频部分需以独立的功能模块设计并加屏蔽盒以减少高频信号对外的辐射。如光纤155M、622M、2Gb/s的收发模块。

多层PCB布板（诺基亚6110），双面放器件，手机PCB设计如图五所示。

图五  手机PCB设计示例

高板PCB板材选取举例

下边以我们设计调试的高频（微波）PCB为例说明板材选取。

（1）2.4GHz扩频数字微波中继板材选取

其结构包括2M数字接口、20M扩频解扩、70M中频调制解调板。我们采用FR4板材，四层PCB板，大面积铺地，高频模拟部分电源采用电感扼流圈与数字部分隔离。

2.4GHz射频收发信机采用F4双面板，收发分别用金属盒屏蔽，电源入端滤波。

（2）1.9GHz射频收发信机

其中，功率放大器采用PTFE板材，双面PCB板；射频收发信机采用PTFE板材，四层PCB板。都是采用大面积铺地，功能模块屏蔽罩隔离措施。

（3）140MHz中频收发信机

顶层用0.3mm的S1139板材，大面积铺地，过孔隔离。

（4）70MHz中频收发信机

采用FR4板材，四层PCB板。大面积铺地，功能模块隔离带用一串过孔隔离。

（5）30W功率放大器

采用RO4350板材，双面PCB板。大面积铺地，间距约束大于等于50欧姆线宽，用金属盒屏蔽，电源入端滤波。

（6）2000MHz微波频率源 

采用0.8mm厚的S1139板材，双面PCB板。

结束语：当下市场上无线领域的器件涉及广泛，应用较为复杂，尤其是当前无线通信市场竞争激烈，产品的价格和面市时间越来越成为竞争焦点，因此，电子工程师的PCB设计不能单纯考虑技术的先进性，必须从多方面折中考虑，平衡技术先进性、价格优势和缩短产品上市时间等关键因素，提高产品的竞争力。

审核编辑：汤梓红