陕西烽火通信技术有限公司 王剑锋
泰派斯特科技发展有限公司 李慧祥

    为保证电路性能，在进行射频电路PCB设计时应考虑电磁兼容性，因而重点讨论元器件的布线原则来达到电磁兼容的目的。
    关键词：手持设备 射频电路 PCB 电磁兼容 布局 地线设计

引 言
    随着信息通信技术的飞速发展，无线射频电路技术应用领域越来越广泛，对电路的要求越来越高，其中的射频电路的各项性能指标将直接影响整个产品。所以，对于现在无线通讯产品设计好射频电路对整个产品有重要意义。现代通讯产品的一个最大特点就是小型化，而小型化意味着元器件的布局高度密集，这使得元器件之间的各自功能相互干扰十分突出，严重时影响整个系统的正常工作。因此，如何防止和抑制相互间产生的电磁干扰，提高电磁兼容性，已成为设计射频电路成否的一个非常重要的指标。同一电路，不同的电路设计结构，其性能指标会相差很大。本讨论手持产品的射频电路设计时，如何最大限度地实现电路的性能指标，彼此间互不影响，以达到电磁兼容的要求。

一 板材的选择
    印刷电路板（PCB）的基材包括有机类与无机类两大类。基材中最重要的性能是介电常数εr、耗散因子（或称介质损耗）tanδ、热膨胀系数CET和吸湿率。其中εr影响电路阻抗及信号传输速率。对于高频电路，介电常数公差是首要考虑的更关键因素，应选择介电常数公差小的基材。

二 印刷电路板图设计的基本原则要求
　　首先印刷电路板的设计，从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜，其次，应考虑印刷电路板与外接元器件（主要是电位器、插口或另外印刷电路板）的连接方式。印刷电路板与外接组件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。但有时也设计成插座形式。即：在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。

三 元器件的布局
    对于射频电路PCB设计而言，电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁辐射，并且具有一定的抗电磁干扰能力，因此，元器件的布局还直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力，这也直接关系到所设计电路的性能。除了要考虑普通PCB设计时的布局外，主要还须考虑如何减小射频电路中各部分之间相互干扰、如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。
3．1布局总原则：
（1）元器件应尽可能同一方向排列，通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象。
（2）需要对所选用元器件的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，走线短，交叉少，电源，地的路径及去耦等方面考虑。
（3）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
（4）当高速、中速和低速数字电路混用时，在印制板上要给它们分配不同的布局区域。对低电平模拟电路和数字逻辑电路要尽可能地分离。
3．2布局中应注意：
（1）确定与其它PCB板或系统的接口元器件在PCB板上的位置，必须注意接口元器件间的配合问题（如元器件的方向等）。因为掌上用品的体积都很小，元器件间排列很紧凑，因此对于体积较大的元器件，必须优先考虑，确定出相应位置，并考虑相互间的配合问题。
（2）认真分析电路结构，对电路进行分块处理（如高频放大电路、混频电路及解调电路等），尽可能将强电信号和弱电信号分开，将数字信号电路和模拟信号电路分开，完成同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内，从而减小信号环路面积；各部分电路的滤波网络必须就近连接，这样不仅可以减小辐射，而且可以减少被干扰的几率，根据电路的抗干扰能力。
（3）根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组。对于电路中易受干扰部分的元器件在布局时还应尽量避开干扰源（比如来自数据处理板上CPU的干扰等）。

四 布线
    在基本完成元器件的布局后，就可开始布线了。在射频电路PCB设计中，电源线和地线的正确布线显得尤其重要，合理的设计是克服电磁干扰的最重要的手段。PCB上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的，其中地线引起的噪声干扰最大。
4．1布线的基本原则为：
（1）在组装密度许可情况下后，尽量选用低密度布线设计，并且信号走线尽量粗细一致，有利于阻抗匹配。对于射频电路，信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计，可能造成信号传输线之间的交叉干扰；另外，系统电源自身还存在噪声干扰，所以在设计射频电路PCB时一定要综合考虑，合理布线。
（2）阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一些，因为阻抗高的走线容易发笛和吸收信号，引起电路不稳定。电源线、地线、无反馈组件的基极走线、发射极引线等均属低阻抗走线，射极跟随器的基极走线、接受器两个声道的地线必须分开，各自成一路，一直到功效末端再合起来，如两路地线连来连去，极易产生串音，使分离度下降。
（3）电源线要尽量能宽，以减少环路电阻，同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，以提高抗干扰能力；所布信号线应尽可能短，并尽量减少过孔数目；各元器件间的连线越短越好，以减少分布参数和相互间的电磁干扰；对于不相容的信号线应量相互远离，而且尽量避免平行走线，而在正向两面的信号线应用互垂直；布线时在需要拐角的地址方应以135°角为宜，避免拐直角。
（4）在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装，调试和检修。
（5）设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。
（6）布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；
（7）设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行
（8）布线时，所有走线应远离PCB板的边框（2mm左右），以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。
4．2地线的设计
地线容易形成电磁干扰的主要原因于地线存在阻抗。当有电流流过地线时，就会在地线上产生电压，从而产生地线环路电流，形成地线的环路干扰。当多个电路共用一段地线时，就会形成公共阻抗耦合，从而产生所谓的地线噪声。因此，在对射频电路PCB的地线进行布线时应该做到：
（1）对电路进行分块处理，射频电路基本上可分成高频放大、混频、解调、本振等部分，要为各个电路模块提供一个公共电位参考点即各模块电路各自的地线，这样信号就可以在不同的电路模块之间传输。然后，汇总于射频电路PCB接入地线的地方，即汇总于总地线。由于只存在一个参考点，因此没有公共阻抗耦合存在，从而也就没有相互干扰问题。数字区与模拟区尽可能地线进行隔离，并且数字地与模拟地要分离，最后接于电源地。
（2）在各部分电路内部的地线也要注意单点接地原则，尽量减小信号环路面积，并与相应的滤波电路的地址就近相接。在空间允许的情况下，各模块之间最好能以地线进行隔离，防止相互之间的信号耦合效应。
（3），同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路工作较稳定不易自激。
　（4）总地线必须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来复去乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。
调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。

五 电路板布分层设计
　　手持设备在空间有限和功能复杂的通常采用高性能6--8层板设计一般将第1和第8层布为地层，第3和第4层走电源和地。由于在电源层和接地层之间是两层居中的双微带信号线层，因而EMI抑制能力是优异的。该设计的缺点在于走线层只有两层。 数字电路的电磁兼容设计中要考虑的是数字脉冲的上升沿和下降沿所决定的频带宽而不是数字脉冲的重复频率。方形数字信号的印制板设计带宽定为1／（πtr），通常要考虑这个带宽的十倍频。
5.1 多层印制板的层间安排原则。
（1）电源平面应靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。这样可以利用两金属平板间的电容作电源的平滑电容，同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用。
（2）布线层应安排与整块金属平面相邻。这样的安排是为了产生通量对消作用。
（3）把数字电路和模拟电路分开，有条件时将数字电路和模拟电路安排在不同层内。如果一定要安排在同层；可采用开沟、加接地线条、分隔等方法补救。模拟的和数字的地、电源都要分开，不能混用。数字信号有很宽的频谱，是产生干扰的主要来源。
（4）在中间层的印制线条形成平面波导，在表面形成微带线，两者传输特性不同。
（5）时钟电路和高频电路是主要的干扰和辐射源，一定要单独安排、远离敏感电路。
（6）不同层所含的杂散电流和高频辐射电流不同，布线时不能同等看待。

六 结论
对于一台性能优良的手持设备，除选择高质量的元器件，合理的电路外，印刷线路板的组件布局和电气联机方向的正确结构设计是决定设备能否可靠工作的一个关键问题，对同一种组件和参数的电路，由于组件布局设计和电气联机方向的不同会产生不同的结果，其结果可能存在很大的差异。因而，必须把如何正确设计印刷线路板组件布局的结构和正确选择布线方向及整体仪器的工艺结构三方面联合起来考虑，合理的工艺结构，既可消除因布线不当而产生的噪声干扰，同时便于生产中的安装、调试与检修等。射频电路PCB设计的关键在于如何减少辐射能力以及如何提高抗干扰能力，合理的布局与布线是设计射频电路PCB的保证。文中所述方法有利于提高射频电路PCB设计的可靠性，解决好电磁干扰问题，进而达到电磁兼容的目的。


参考文献
1.High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. Howard W. Johnson and Martin Graham. Prentice Hall, 1993: ISBN 0-13-395724-1
2 《高频电子线路 》 张肃文
3《电磁干扰及控制》 林国荣
4《航天器电磁兼容技术》 陈淑凤
5 nnoveda公司ePD2.0高速电路互连规划与设计空间探测工具Scratchpad使用手册