(3) RF电路的PCB设计基础

好！我们来看一下。就说我们肯定不希望我们的射频板 像我们前面有一页设计的那样哈， 就说一坨，我们可以叫它一坨哈。 这块板子相应就说...倒不是说自豪， 就是TI设计的这块板子就非常工整。 不一定是适合你的真正的产品， 但是呢，也是希望到时候你的产品发出来的射频板 也是要像TI的开发板一样，很工整； 然后各个部分呢...你看起来很美观， 但其实在美观之后呢，它是有一种秩序的东西存在。 这种秩序就可以保证你有很好的一个性能。 OK。有点哲学意味，是不是？ 但其实秩序是很重要的。所以我们会看到，TI画板子呢， 它会把数据线呢会甩到大概是这一部分。 这是transceiver的一颗芯片。然后呢我们再往上看，这个就是crystal。 它设计的时候呢，也会把它们离芯片放得很近。 然后我们再往下看，这个是一颗射频前端的芯片。 内部是有LNA加上POWER AMPLIFIER。 我不知道咱们这边这边的板子有加过（听不清）吗？ 射频前端。没有这样的板子哈？ 它主要的作用的话，就是叫...英文叫range extender， 就可以让你更延伸你的距离， 就是加大你的发射功率和降低你的接收机噪声。 这样的话就是...你比如说你一般2500， 假设哦你是30米，okay，你加上这一颗，可能在室外的话 你就能达到200米。大概就是， 它可以起到这样的一些很显而易见的功能。 然后呢，这就是射频前端的一些匹配电路。 这个就是它的表面参考地， 上面需要打很多过孔。等会儿可以给大家说一下， 就是这些过孔需要注意哪些。 然后就是PCB的ANTENNA。这个天线的形式其实你可以选择了， 它是一个非常非常独立的一个学科。 其实是独立于solution的。 就是哪怕是你不是用TI的这种无线芯片， 对于天线来说它是一个独立的， 你不管用谁家的方案，都可以用这套天线去实现。 包括TI也会提供很多很好的这种low cost也好， 高性能的一些天线的参考。所以呢也为业界的这种互联网技术 提供了很多的贡献哈。TI有一些非常好的天线的一些文档。 然后呢，这个就是射频的一些测试端口。 在咱们设计板子的时候呢，我倒是也建议你，特别在第一版 或者第二版的工程板的时候呢， 也要留一些方便于射频测试和调试的这样的一些接口。 不一定留成TI的这么大一个东西， 但是你最起码要有一个很方便的一个测试点留在你的板上。 好的，来！我们看一下PCB板。PCB板TI一般选的呢一般是有两种 PCB板作为我们的参考设计。 然后就是第一种呢，就是，比如我们选择两层板。 其实这是TI大多数的参考设计的叠层结构哈。 就是表面和底面。底面基本是作为一个非常完整的参考地。 然后表面主要走数字信号还有crystal啊， 包括电源和射频线，基本走在表面。 这种板子呢，显而易见它的cost会非常非常低。 两层板会比较便宜一点嘛。 然后，对于大多数的参考设计来说， 和芯片来说，都可以提供一个比较完善的满足要求的性能。 这种板子大家用得是最多的。 然后另外呢还有就是四层板的一些设计。 四层板的设计，我们一般建议的叠层结构哈， 其实也不是TI建议了，四层板一般大家都画成这样哈。 就是第一层的话，肯定是器件面和信号面； 然后第二层呢就是叫地平面， 一般会把这层作为... 就我们在设计板子的时候会有一层英文叫solid ground嘛， 叫主地层。对于任何信号来说， 我们就相信这一层是最干净的，所以我们就叫它主地层。 所以一般会把第二层放成主地层。 这一层的上面是不可以走任何任何线的。 Okay。然后呢第三层就是电源层， 然后第四层就是地平面，也可以走一些信号线。 一般四层板的话，它的叠层结构会基本设计成这个样子， 可以保证一个非常非常好的射频性能和对噪声的控制。 这里面我相信肯定应该有同事曾经做过3200。 CC3200，就TI的那颗WiFi的网络芯片。 那个芯片就非常非常典型的必须要用四层板去做的一个芯片。 因为里面它集成了三颗到四颗， 这取决于你的应用哈，DC to DC。 所以我们在设计的时候要对那几个电源芯片—— 开关电源的芯片，进行非常非常好的一个噪声控制。 这个时候呢就是我们要用到四层板的一些独特性能。 然后呢才能达到这样的一个目标， 要不然射频性能就会受一些影响。 比方说我们那颗CC3200的那颗网络芯片。然后不但是四层板， 当时我们还要在地平面上做一些特殊的（听不清）处理呀等等。 还有另外一种四层板的话， 就比方说我们现在有一些带前端PA的参考设计。 这个时候它的功率其实非常非常大。 它的功率非常大呢，有的时候我们要对它的噪声 和带外，做很好的控制。这个时候我们也是希望把 电源的噪声也好，或者clock的噪声、 信号线的噪声，都被保护起来。 你把噪声保护起来就相当于不让它去干扰别人嘛，对吧。 在这样的一个逻辑之下呢也是需要四层板去控制这样的一些信息。 OK，这个就是板材选择方面。 另外，这里面并不是需要给大家非常详细地解释这些公式， 但是我希望大家是有微带线的概念。 就是射频板呢，特别在走信号线的时候， 包括高速信号线，其实都是有阻抗的概念。 信号在这根线上传输的时候它是以 场和磁的方式往前传播的，就像光传播一样。 它是在这根线上是以场和磁的方式传播， 它并不是以那种这边是1.8伏，那边也是1.8伏这样的一个形式去传播， 它是一个波的形式往前传播。 所以呢在这个时候，它会有一些这样的概念，就是电场和磁场。 电场和磁场在转换的过程中，其实在传输线中 有一个非常重要的参量要参与计算的就是一个阻抗的概念。 阻抗的概念，最后我们总结出来的一个公式， 就是这样的一些公式。 其实具体的内容，大家可以不用去看， 就像有一个什么样的概念哈， 上世纪八十年代的时候大家用算盘， 突然出现了一个东西叫计算器，对吧。 有很多固执的人还是用算盘，其实这就有点秀逗。 其实大家用计算器会更快嘛。 就跟这公式一样，我现在都从来不去记它、去算它， 因为我们有太多的网络计算器了么，对吧！ 在网上的话你把你的PC板的参数输进去， 你就可以得出它的一个正确的阻抗。 就完全没必要去了解这样的一个公式， 特别是咱们不是专业的射频人员的话。 这个时候...但是其实大家要有这样的一个概念哈， 就说你的阻抗跟什么相关。 这个时候就一定要有，从公式里就能看出来， 第一就是宽高比，它的比值。 其实它是和宽、和高度的比值相关的。 所以这个时候就是牵扯到一个问题，就是 大家在设计板子的时候，如果你的高度非常非常薄， 比方说咱们这里面应该有做格力手机的同事， 不知道你做手机的时候它是有（听不清）口， 这个时候你只有17微米的厚度的表层板的话， 你这个线会非常非常细。 这个时候你就要动脑筋了，对不对？ 是不是低下要挖掉一层？ 让它高度变高，这个时候你的宽度就可以变宽，这样的话就... 我只是举个例子，大家树立一下这样的一些概念。 然后呢，另外的一个概念就是，相关的参数呢就是相对界面常数。 相对界面常数就是你的基材的相对界面常数。 它基本上...大家从最顶层的公式来看的话， 它主要就和两个大参数相关， 宽高比和相对界面常数相关。 然后所以大家在设计板子的时候呢就是一定要记得 要满足你的工艺要求，这是最主要的一点。 其实呢，最终你计算出来，你画到板子上的，都不作数的。 大家最后其实是会送到PCB加工板厂去加工嘛！ 这个时候其实你切记要做到的一点的就是 你要把阻抗控制线告诉你的PCB板厂。 正规一点的PCB板厂它都会做一些相应的仿真和计算， 然后保证你这根线它在一定的范围之内。 比方说咱们现在哈，就是 大多数的一个应用场景是50欧姆的系统嘛，对吧。 就是在弱电的领域里面我们都是用50欧姆的系统。 比如说有线电视是75欧姆，是吧。 然后还有一些其他的是30多欧姆的一些系统。 它各有各的优点，但是不管怎么样， 在我们的系统里面就是50欧姆。 这个时候呢，你的PCB板厂一般会帮你控制在10%的范围之内， 就是45欧姆到55欧姆。 这样的话基本都可以保证一些性能。 然后传输线除了有阻抗的概念呢， 另外一个还有寄生参数，就是它的寄生电容和电感。 其实呢是跟板子的厚度宽度等等都相关。 而且在传输线上会有群延时， 就是所谓的一个电延时的概念。就是它相当于是什么呢， 就是，大家不是最近非常热的一个话题叫引力波嘛，对吧。 其实是13亿年前的一个波以光速的 速度传到地球我们感受到了。 其实电信号都是有这个特点的嘛，对吧。你从那个点传到那个点它是 根据频段呀什么的，包括你的材质都会有一些延时。 这个时候...其实我给大家这些概念是有伏笔的哈， 等一会儿在做lay板的时候你就可以看到， 有一些常犯的错误就是由于这些原因，所以它成为错误。 OK。然后呢还有一个概念就是， 传输线不是单独存在的，它还是要有回流的。 这个就有一点点直流的概念哈。 就说不管怎么样，你一个电流从这上面过去， 你在地上相应的位置是要有电流回来的。 其实它叫电流分布吧， 但是它是由场合磁共同产生的这么一个东西。 但不管怎么样，你可以把它理解为电流。 电流呢刚好就在微带线下面， 它的大小呢大概是这个样子。 所以呢还有一个概念，就是D。D就是你的底下这个 整个回流地的完整性的这么一个范围。 你不能超过一定的范围。 比如说你在你的传输线边上打个孔， 或者你走了一根信号线，然后就造成这样的一个效果。 OK，我们会看到你的回流地。 你的回流地是红色部分，比如说蓝色部分 是你的微带线。你的回流地其实就是在微带线下面的， 有一定宽度。这个时候你在你的参考地上 拉了一道槽，这个时候它的回流地就变成这个样子了。 可能你中间这根就没办法回流了。 其实很显而易见的一个效果呢，就是你的信号被损失掉了。 然后你把你的能量给cut掉了。 这个它其实在我们的射频里面，你可以理解为一个裂缝阵天线。 其实很多天线就是这么做的。 人为的同样的原理，你把它的电流切断， 这个时候它的能量就被辐射出来了。 就这么简单。所以呢，就是大家切记 在做板的时候呢，你底下的参考地平面 一定要完整，并保证一定的宽度。 就是说大家要记住的哈。 然后第三个概念就是过孔。 过孔其实很明显。如果大家逐步放大的话， 你会看到它就是一段铜柱。 铜柱的话对于射频来说呢，它会有什么效应呢？ 它会引入你的电容。比如说，你两边的pad， 还有你的电杆，因为它是一根导线，相当于，对吧。 你给它无限放大的话。它的阻抗根本就不连续， 大概算一下的话呢，可能是30多欧姆。 射频也有这样的一个概念哈， 如果阻抗不连续就会有反射。 反射是啥意思？就是说我送过去1瓦， 你被反射掉了200毫瓦， 那可能你只有800毫瓦出去了。 这个时候造成一个什么样的效果呢？ 就是你的作用距离不够，对吧！所以基本上就是这样的一些效应。 过孔也非常重要。所以我们在做射频板的时候 尽量尽量不要引入过孔。 这也是比较重要的一个观念。 对于手机板来说有时候是没有办法的， 因为可能你要走到内层。 表层因为它太小了，没有那么多空间让你走线。 但是对于一些物联网的那种小板来说的话呢， 基本都可以实现，不要打过孔。 特别这个过孔就是这样的一个规律， 频段越高，它受的影响就越来越大。 比如说你做5G的WiFi。这个时候你要打一个过孔的话， 就是一个...对射频的人来说就是噩梦。 你要花很大很大精力把这个过孔给它调掉。 它也是可以被匹配掉的，这倒是。 OK.