RF射頻線路設計經驗談

關鍵字 :RF

自從無線網路設備興起後,對於RF射頻線路設計的人才需求也與日俱增,但蠻多人對於RF線路這塊卻很難入手,主要還是因為RF電路設計在理論上還有很多不確定性,沒有相關經驗很難上手,但其實RF線路設計還是有許多可以遵循的規則,以下就幾個較常遇到的問題與入門需注意的部分的設計來討論。

1. PCB材料與疊構設計

PCB材料部份:一般RF的PCB材料選擇在成本的考量下,大都是使用FR4,主要來說是材料的絕緣特性好,材質均勻,介電系數Er約等於4±10%等,但如果設計頻率較高,且成本沒有考量的情況下,則是建議採用介電係數值較低且平均,高頻率用的ROGERS板材。

疊構設計部分:通常設計都會使用四層-六層板,且建議採用厚度在1mm以下的雙面板,並不建議採用厚度超過1mm的板材來設計,是因為地層與信號層之間的介質層較厚會影響RF特性,以四層板的疊構設計來說,一般Top層都是走RF訊號線,第二層是完整的地層,第三層是電源,Bottom層則是數位訊號線,也可以反過來Bottom層走RF訊號,另外RF訊號線底下盡量不要有任何電源或訊號線相交或經過,而第三層的電源設計則是不要做成一個平面,而是讓RF料件的電源走星狀分布,且盡量不要和數位訊號層有交叉。

2.阻抗與阻抗匹配 

阻抗與阻抗匹配是RF設計最重要的一環,以阻抗來說,由於RF訊號的走線寬度是有嚴格的規定,需要依照上面說的PCB疊構設計與PCB板材介電係數來嚴格計算或經由模擬軟體去做線路模擬,以確保其為50歐姆走線,然而即便經過嚴密計算與模擬設計,實際交給PCB板廠生產時,PCB板廠生產出來的成品卻往往與設計或模擬出來的阻抗想差甚遠,其根本原因還是我們自己的成本考量,很多時候我們會因為這家PCB板廠洗板便宜就由這家PCB板廠生產,完全沒去考量其生產製程能力為何,假設專業PCB板廠生產製程能力做出來的RF走線為50歐姆±5%,但便宜PCB板廠因為成本便宜,其生產的製程能力則可能為50歐姆±10%,甚至50歐姆±20%都有可能,這樣生產出來的PCB阻抗誤差範圍最大就為40歐姆到60歐姆,且很多時候明明是同一批生產,有些阻抗偏60歐姆,有些卻偏40歐姆,讓整個RF特性受到極大的影響,如果對於特性要求不嚴格就無所謂,但如果是因為阻抗匹配不良,結果特性就差個1~2dB就可以符合需求,這個時候應該會欲哭無淚。

這邊的建議是請板廠參考我們RF 50歐姆線路相同的設計,在版邊製作出一條阻抗條,在生產時量測這個阻抗條數值,並提供給我們參考,當然這部分關係到PCB板廠成本,是需要與板廠溝通的。

阻抗匹配通常是指RF相關零件例如PA, LNA ,DPX, Mixer, Filter的部分,要如何讓其與50歐姆走線做匹配,這個通常RF零件供應商都會有提供參考線路設計,我們只需完全依照參考設計即可,也可預留一些tune位置。



3.波長和諧波

波長與諧波部分:

RF線路設計時的走線長度會跟波長息息相關,且無法像一般序號線一樣可以拉得很長,主要是RF Trace會有1/4波長問題,且頻率越高波長越短,因此設計時需先根據頻率來計算走線長度,避免產生問題。

諧波是指處於基波頻率的整數倍位置的訊號,例如H1,H2,H3諧波,而在常規的射頻系統中,都會建議將諧波控制在40-50dBc以下,才能讓射頻系統穩定可靠工作,因此通常會建議加上Filter來降低諧波,而較方便省錢的作法即採用π型Filter設計,基本是3階,如要較好效果則可以5階或7階設計。

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