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从华为基站看如何设计PCB板上的射频信号?

一些群友经常问PCB上面的射频走线该怎么走?比如两层板的射频走线要不要控阻抗,射频信号能不能走内层,为什么板级天线要净空等等一系列问题,这里杨老师就综合来简析这一类问题,我们从华为基站的一个产品来看如何设计PCB板上的射频信号?

 

这里估计很多人会首先冒出一个问题,啥是基站?为什么基站产品有很多射频信号?我们首先来看几张图片让大家知道基站产品

 

 

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基站即办公用移动通信基站是无线电台站的一种形式,是指在一定的无线电覆盖区中,通过移动通信交换中心,与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。

 

我们来看看华为基站产品内部

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再放大一点就能看到射频走线了

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从外表直观的看,这里的射频走线都在屏蔽腔体内,走线都加粗处理,而且有很多地孔,布局上也是按模块处理,无交叉等等。那真实的射频信号要怎么设计了?

 

第一个问题:什么是射频信号?

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射频信号的重要性可想而知,家里WIFI连不上了,蓝牙信号弱啦,4G手机上没有5G信号啦,打电话没声音啊,这些都和射频是关联的,比如你说一句话 对方要听到  基本流程就是如图这样子

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第二个问题:PCB板上常见的天线类型和常见的射频有哪些?

常见的天线类型有:导线天线,这是在 PCB 上延长到自由空间中的一段导线;PCB 天线:它是 PCB 上的一根 PCB 走线,并且可以将其画成直线形走线、反转的 F 形走线、蛇形或圆形走线、或基于天线类型和空间限制的摆动曲线等。芯片天线:这是一种带有导体的天线,天线和导体都被组装在小型的 IC 封装中。当印刷 PCB 天线的空间有限或支持 3D 导线天线时,这非常有用。
 

目前很多产品都需要用到射频了,5G模块  4G模块  有WIFI功能 有蓝牙功能消费类产品这些都会有射频信号,再如路由器,基站等通信产品 这些也肯定会含射频电路的;对于PCB板上而言,一般会有板载天线和非板载天线,板载天线板上很容易识别,非板载天线就是通过射频头,同轴线接出PCB板后再接天线;

 

第三个问题:射频信号为什么要进行50欧姆阻抗设计  可不可以不控阻抗?

我们都知道单线RF信号都是按50欧姆设计的,这个阻抗控制也是非常重要的,原因是大多数RF(射频)系统都围绕该阻抗进行设计。如果你在PCB板上没有进行50欧姆控制  则会出现阻抗不一致 信号质量会受到影响,天线的阻抗设计主要目的是为实现天线和馈线间的匹配。发射信号时应使发射天线与馈线的特性阻抗相等,以获得最好的信号增益。接收信号时天线与负载也应做共轭匹配。

 

说到50欧姆阻抗控制为什么更适合于RF射频信号 其实这里还有一个典故可以帮着解释为什么大多数的RF系统都围绕50欧姆阻抗设计:贝尔实验室做了很多实验,最终发现符合这种大功率传输,损耗小的同轴电缆其特征阻抗分别是30欧姆和77欧姆。其中,30欧姆的同轴电缆可以传输的功率是最大的,77欧姆的同轴电缆传输信号的损耗是最小的。30欧姆和77欧姆的算术平均值为53.5欧姆,30欧姆和77欧姆的几何平均值是48欧姆,我们经常所说的50欧姆系统阻抗其实是53.5欧姆和48欧姆的一个工程上的折中考虑,考虑最大功率传输和最小损耗尽可能同时满足。而且通过实践发现,50欧姆的系统阻抗,对于半波长偶极子天线和四分之一波长单极子天线的端口阻抗也是匹配的,引起的反射损耗是最小的。

 

有的设计工程师从来没有对RF信号控过阻抗  似乎也没什么问题,其实这个是有风险的  因为有时候RF信号本身就短  设计时又加粗处理了  很大情况下是在没有意识的情况下控了阻抗;其二,这个就相当于闯红灯  不一定会有事,但是一有事就是大事,设计也是如此  设计不到位 总是抱着侥幸心理可不行。

 

第四个问题; 二层板的射频走线如何满足阻抗要求

两层板时,为了保证电路板的强度,我们不能用很薄的电路板去做,这时顶层和底层(参考面)之间的间距就会很大,如果还是用原来的 办法控制50欧姆的特性阻抗那么顶层的走线必须很宽。例如我们假设板子的厚度是 39.39miI(1 mm),走线将达到73mil  无论是走线空间  还是射频链路上的器件焊盘显然都没有这个宽度   几乎是奔溃的 显然这样控阻抗是满足不了要去的

 

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二层板RF射频走线的阻抗控制应该按照共面阻抗来管控(也叫共面波导)

 

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其一:做共面阻抗的底面也要是完整的GND平面

其二:同一面的铜皮必须完整 

其三:设计时尽量将焊盘宽度与走线宽度一致

 

此时则可以用常规的RF线宽来走射频 并控制阻抗了

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同理:四层板的RF射频50欧姆阻抗怎么控制?

如果四层板有其他阻抗线要控 很多情况下我们设计的四层板有单线(除50欧姆外)控阻抗  有90欧姆USB控阻抗  有其他100欧姆差分控阻抗 这种情况下就不能单独只考虑射频的走线了  所以四层板射频走线的阻抗控制要根据板子实际情况来处理

 

第一种情况:如果只有射频需要控制阻抗  那么我们可以通过调整第一层 第二层的层间厚度  来控制阻抗 无需挖空参考  无需共面参考 这里的条件记着是只有射频线要控阻抗

 

第二种情况:就是很常见的情况 四层板有单线(除50欧姆外)控阻抗  有90欧姆USB控阻抗  有其他100欧姆差分控阻抗等多重阻抗控制的复杂情况 那么为了满足所有阻抗控制要求  则需要挖空参考第三层  并做共面参考 

 

感兴趣的同学可以去试试这两种情况  不懂的可以加杨老师微信号(Johnnyyang206)

 

第五个问题:为什么多层板射频走线要挖空隔层参考,见到很多的诸如TI等参考设计 无论是外层的射频走线还是内层的射频走线都进行了挖空处理。

挖空是为了在射频走线加粗的情况下还能满足阻抗控制要求,同时一定的程度上也加大了与地的距离,如果射频信号与地层距离近的话,耦合电容就比较大,会影响射频走线和器件的性能。另外过近的话也会对RF信号有一定的衰减,不利于射频信号的传输(这个与两层板共面控制中GND近要相区别 我们要把握关键点和最优设计原则)

 

那射频信号是否可以不加粗处理 常规线宽线距不能满足要求吗?

射频线对信号质量要求很高,考虑到抗干扰,衰减损耗,及趋肤效应等方面原因,加粗走线是非常有必要的。另外对于PCB制造工艺来说加粗也是有一定帮助的,因为射频阻抗控制的要求管控严一些 管控+-5%的话 越小的线宽走线PCB制造厂商则越难管控。

 

这就从多个方面验证了PCB射频走线为什么基本都加粗处理了的原因。

 

第六个问题:射频屏蔽罩在没有空间的情况下是否可以不加?

这是一个不专业的问题,你看看苹果手机,你看看华为基站产品等等,含有射频电路的哪一个没有加屏蔽罩。射频信号可以在空气介质中辐射,为了保证性能和产品的品质 必须要加。

 

以下是加屏蔽罩的一些参考:1,接收电路前端是敏感电路,信号很小,要采用屏蔽。2,对射频单元和中频单元须加屏蔽。接收通道中频信号会对射频信号产生较大干扰, 反之,发射通道的射频信号对中频信号也会造成辐射干扰。3,振荡电路:强烈辐射源,对本振源要单独屏蔽,由于本振电平较高,对其他单元形 成较大的辐射干扰。4, 功放及天馈电路:强烈辐射源,信号很强,要屏蔽。5,数字信号处理电路:强烈辐射源,高速数字信号的陡峭的上下沿会对模拟的射频信 号产生干扰;6,级联放大电路:总增益可能会超过输出到输入端的空间隔离度,这样就满足了振荡 条件之一,电路可能自激。如果腔体内的电路同频增益超过 30-50dB,必须在 PCB 板 上焊接或安装金属屏蔽板,增加隔离度。实际设计时要综合考虑频率、功率、增益情况 决定是否加屏蔽板。7,级联的滤波、开关、衰减电路:在同一个屏蔽腔内,级联滤波电路的带外衰减、级 联开关电路的隔离度、级联衰减电路的衰减量必须小于 30-50dB。如果超过这个值, 必须在 PCB 板上焊接或安装金属屏蔽板,增加隔离度。实际设计时要综合考虑频率、功 率、增益情况决定是否加屏蔽板。

 

这里顺便提一下关于巴伦后的射频差分走线,一般来说也是遵循同样的道理 既要满足100欧姆的差分走线  也需要对差分走线进行适当的加粗。芯片输出是RFP和RFN的两个差分信号,通过LC网络然后合并成一根信号线接天线输出,这个LC网络实质是一个巴伦,主要作用是实现差分和单端的相互转换,并且可以实现阻抗的匹配-----差分阻抗100欧姆和单端阻抗(天线阻抗)50欧姆的相互转换。如果有芯片官方的推荐设计  我们则按官方设计参考,如果没有则按杨老师说的来处理即可

 

回过头来看华为基站产品的设计,是不是都能很专业的进行分析了。

此帖出自RF/无线论坛
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射频【放大器】


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纯净的硅(中级)

好资料,学习学习。


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