單片射頻器件大大方便了一定范圍內無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的應用，采用合適的微控制器和天線(xiàn)并結合此收發(fā)器件即可構成完整的無(wú)線(xiàn)通信鏈路。它們可以集成在一塊很小的電路板上，應用于無(wú)線(xiàn)數字音頻、數字視頻數據傳輸系統，無(wú)線(xiàn)遙控和遙測系統，無(wú)線(xiàn)數據采集系統，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以及無(wú)線(xiàn)**防范系統等眾多領(lǐng)域。

數字電路與模擬電路的潛在矛盾

如果模擬電路(射頻) 和數字電路(微控制器) 單獨工作可能各自工作良好，但是一旦將兩者放在同一塊電路板上，使用同一個(gè)電源供電一起工作，整個(gè)系統很可能就會(huì )不穩定。這主要是因為數字信號頻繁的在地和正電源(大小3 V) 之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是ns 級的。由于較大的振幅和較小的切換時(shí)間，使得這些數字信號包含大量的且獨立于切換頻率的高頻成分。而在模擬部分，從天線(xiàn)調諧回路傳到無(wú)線(xiàn)設備接收部分的信號一般小于1μV。因此數字信號與射頻信號之間的差別將達到10-6(120 dB) 。顯然，如果數字信號與射頻信號不能很好的分離，微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來(lái)，無(wú)線(xiàn)設備工作性能就會(huì )惡化，甚至完全不能工作。

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RF電路和數字電路做在同塊PCB 上的常見(jiàn)問(wèn)題

不能充分的隔離敏感線(xiàn)路和噪聲信號線(xiàn)是常常出現的問(wèn)題。如上所述，數字信號具有高的擺幅并包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數字信號布線(xiàn)鄰近敏感的模擬信號，高頻諧波可能會(huì )耦合過(guò)去。RF 器件的zui敏感節點(diǎn)通常為鎖相環(huán)( PLL) 的環(huán)路濾波電路，外接的壓控振蕩器(VCO) 電感，晶振基準信號和天線(xiàn)端子，電路的這些部分應該特別仔細處理。

(1) 供電電源噪聲

由于輸入/ 輸出信號有幾V 的擺幅，數字電路對于電源噪聲(小于50 mV) 一般可以接受。而模擬電路對于電源噪聲卻相當敏感，尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。因此，在包含RF(或其他模擬) 電路的PCB 板上的電源線(xiàn)布線(xiàn)必須比在普通數字電路板上布線(xiàn)更加仔細，應避免采用自動(dòng)布線(xiàn)。同時(shí)也應注意到，微控制器(或其他數字電路) 會(huì )在每個(gè)內部時(shí)鐘周期內短時(shí)間突然吸入大部分電流，這是由于現代微控制器都采用CMOS 工藝設計。因此，假設一個(gè)微控制器以1 MHz 的內部時(shí)鐘頻率運行，它將以此頻率從電源提取(脈沖) 電流，如果不采取合適的電源去耦，必將引起電源線(xiàn)上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達電路RF 部分的電源引腳，嚴重的可能導致工作失效，因此必須保證將模擬電源線(xiàn)與數字電路區域隔開(kāi)。

(2) 不合理的地線(xiàn)

RF 電路板應該總是布有與電源負極相連的地線(xiàn)層，如果處理不當，可能產(chǎn)生一些奇怪的現象。對于一個(gè)數字電路設計者來(lái)說(shuō)這也許難于理解，因為即使沒(méi)有地線(xiàn)層，大多數數字電路功能也表現良好。而在RF 頻段，即使一根很短的線(xiàn)也會(huì )如電感一樣作用。粗略計算，每mm 長(cháng)度的電感量約為1 nH ， 434 MHz 時(shí)10 mmPCB 線(xiàn)路的感抗約為27 Ω。如果不采用地線(xiàn)層，大多數地線(xiàn)將會(huì )較長(cháng)，電路將無(wú)法保證設計特性。

(3) 天線(xiàn)對其他模擬部分的輻射

在包含射頻和其他部分的電路中，這一點(diǎn)經(jīng)常被忽略。除了RF 部分，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多微控制器內置模數轉換器(ADC) 用于測量模擬輸入以及電池電壓或其他參數。如果射頻發(fā)送器的天線(xiàn)位于此PCB 附近(或就在此PCB 上) ，發(fā)出的高頻信號可能會(huì )到達ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線(xiàn)路都可能如天線(xiàn)一樣發(fā)出或接收RF 信號。如果ADC 輸入端處理不合理，RF信號可能在A(yíng)DC輸入的ESD二極管內自激，從而引起ADC 的偏差。

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RF電路和數字電路做在同塊PCB 上的解決方案

以下給出在大多數RF 應用中的一些通用設計和布線(xiàn)策略。然而，遵循實(shí)際應用中RF 器件的布線(xiàn)建議更為重要。

(1) 一個(gè)可靠的地線(xiàn)層面

當設計有RF 元件的PCB 時(shí)，應該總是采用一個(gè)可靠的地線(xiàn)層。其目的是在電路中建立一個(gè)有效的0 V 電位點(diǎn)，使所有的器件容易去耦。供電電源的0 V 端子應直接連接在此地線(xiàn)層。由于地線(xiàn)層的低阻抗，已被去耦的兩個(gè)節點(diǎn)間將不會(huì )產(chǎn)生信號耦合。對于板上多個(gè)信號幅值可能相差120 dB ，這一點(diǎn)非常重要。在表面貼裝的PCB 上，所有信號布線(xiàn)在元件安裝面的同一面，地線(xiàn)層則在其反面。理想的地線(xiàn)層應覆蓋整個(gè)PCB ( 除了天線(xiàn)PCB 下方) 。如果采用兩層以上的PCB ，地線(xiàn)層應放置在鄰近信號層的層上(如元件面的下一層) 。另一個(gè)好方法是將信號布線(xiàn)層的空余部分也用地線(xiàn)平面填充，這些地線(xiàn)平面必須通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與主地線(xiàn)層面連接。需要注意的是：由于接地點(diǎn)的存在會(huì )引起旁邊的電感特性改變，因此選擇電感值和布置電感是必須仔細考慮的。

(2) 縮短與地線(xiàn)層的連接距離

所有對地線(xiàn)層的連接必須盡量短，接地過(guò)孔應放置在(或非常接近) 元件的焊盤(pán)處。決不要讓兩個(gè)地信號共用一個(gè)接地過(guò)孔，這可能導致由于過(guò)孔連接阻抗在兩個(gè)焊盤(pán)之間產(chǎn)生串擾。

(3) RF 去耦

去耦電容應該放置在盡可能靠近引腳的位置，每個(gè)需要去耦的引腳處都應采用電容去耦。采用高品質(zhì)的陶瓷電容，介電類(lèi)型zui好是“ NPO” ， “ X7R” 在大多數應用中也能較好工作。理想的選擇電容值應使其串聯(lián)諧振等于信號頻率。例如434 MHz 時(shí)，SMD 貼裝的100 p F 電容將良好工作，此頻率時(shí)，電容的容抗約為4 Ω，過(guò)孔的感抗也在同樣范圍。串聯(lián)的電容和過(guò)孔對于信號頻率形成一個(gè)陷波濾波器，使之能有效的去耦。868 MHz 時(shí)，33 p F 電容是一個(gè)理想的選擇。除了RF去耦的小值電容，一個(gè)大值電容也應放置在電源線(xiàn)路上去耦低頻，可選擇一個(gè)2. 2 μF陶瓷或10μF 的鉭電容。

(4) 電源的星形布線(xiàn)

星形布線(xiàn)是模擬電路設計中眾所周知的技巧(如圖1所示) 。星形布線(xiàn)———電路板上各模塊具有各自的來(lái)自公共供電電源點(diǎn)的電源線(xiàn)路。在這種情況下，星形布線(xiàn)意味著(zhù)電路的數字部分和RF部分應有各自的電源線(xiàn)路，這些電源線(xiàn)應在靠近IC 處分別去耦。這是一個(gè)隔開(kāi)來(lái)自數字

部分和來(lái)自RF 部分電源噪聲的有效方法。如果將有嚴重噪聲的模塊置于同一電路板上，可以將電感(磁珠) 或小阻值電阻(10 Ω) 串聯(lián)在電源線(xiàn)和模塊之間，并且必須采用至少10 μF 的鉭電容作這些模塊的電源去耦。這樣的模塊如RS 232 驅動(dòng)器或開(kāi)關(guān)電源穩壓器。

(5) 合理安排PCB 布局

為減小來(lái)自噪聲模塊及周邊模擬部分的干擾，各電路模塊在板上的布局是重要的。應總是將敏感的模塊( RF部分和天線(xiàn)) 遠離噪聲模塊(微控制器和RS 232 驅動(dòng)器)以避免干擾。

(6) 屏蔽RF信號對其他模擬部分的影響

如上所述，RF 信號在發(fā)送時(shí)會(huì )對其他敏感模擬電路模塊如ADC 造成干擾。大多數問(wèn)題發(fā)生在較低的工作頻段(如27 MHz) 以及高的功率輸出水平。用RF去耦電容(100p F) 連接到地來(lái)去耦敏感點(diǎn)是一個(gè)好的設計習慣。

(7) 在板環(huán)形天線(xiàn)的特別考慮

天線(xiàn)可以整體做在PCB 上。對比傳統的鞭狀天線(xiàn)，不僅節省空間和生產(chǎn)成本，機構上也更穩固可靠。慣例中，環(huán)形天線(xiàn)(loop antenna) 設計應用于相對較窄的帶寬，這有助于抑制不需要的強信號以免干擾接收器。應注意到環(huán)形天線(xiàn)(正如所有其他天線(xiàn)) 可能收到由附近噪聲信號線(xiàn)路容性耦合的噪聲。它會(huì )干擾接收器，也可能影響發(fā)送器的調制。因此在天線(xiàn)附近一定不要布數字信號線(xiàn)路，并建議在天線(xiàn)周?chē)３肿杂煽臻g。接近天線(xiàn)的任何物體都將構成調諧網(wǎng)絡(luò )的一部分，而導致天線(xiàn)調諧偏離預想的頻點(diǎn)，使收發(fā)輻射范圍(距離) 減小。對于所有的各類(lèi)天線(xiàn)必須注意這一事實(shí)，電路板的外殼(外圍包裝) 也可能影響天線(xiàn)調諧。同時(shí)應注意去除天線(xiàn)面積處的地線(xiàn)層面，否則天線(xiàn)不能有效工作。

(8) 電路板的連接

如果用電纜將RF 電路板連接到外部數字電路，應使用雙絞線(xiàn)纜。每一根信號線(xiàn)必須和GND 線(xiàn)雙絞在一起(DIN/ GND ， DOUT/ GND ， CS/ GND ， PWR _ UP/ GND) 。切記將RF電路板和數字應用電路板用雙絞線(xiàn)纜的GND線(xiàn)連接起來(lái)，線(xiàn)纜長(cháng)度應盡量短。給RF 電路板供電的線(xiàn)路也必須與GND 雙絞(VDD/ GND) 。

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結論

迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事無(wú)線(xiàn)數字音頻、視頻數據傳輸系統，無(wú)線(xiàn)遙控、遙測系統，無(wú)線(xiàn)數據采集系統，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以及無(wú)線(xiàn)**防范系統等設計的工程技術(shù)人員解決無(wú)線(xiàn)應用的瓶頸提供了zui大的可能。同時(shí)，射頻電路的設計又要求設計者具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗和工程設計能力。本文是筆者在實(shí)際開(kāi)發(fā)中總結的經(jīng)驗，希望可以幫助眾多射頻集成電路開(kāi) 發(fā)者縮短開(kāi)發(fā)周期，避免走不必要的彎路，節省人力和財力。