RF與數(shù)模電路的電路板設(shè)計(jì)（一）

如何將RF與數(shù)模電路設(shè)計(jì)在同一PCB上？手持無(wú)線通信設(shè)備和遙控設(shè)備的普及推動(dòng)著對(duì)模擬、數(shù)字和RF混合設(shè)計(jì)需求的顯著增長(zhǎng)。手持設(shè)備、基站、遙控裝置、藍(lán)牙設(shè)備、計(jì)算機(jī)無(wú)線通信功能、眾多消費(fèi)電器以及軍事/航空航天系統(tǒng)現(xiàn)需要采用RF技術(shù)。數(shù)年來(lái)，RF設(shè)計(jì)需要專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)和分析工具來(lái)完成。典型情況下，PCB的RF部分由RF專(zhuān)業(yè)人員在獨(dú)立環(huán)境下設(shè)計(jì)好后，再與混合技術(shù) PCB的其余部分合并在一起的。這一過(guò)程的效率很低，而且為了與混合技術(shù)整合在一起，常常需要反復(fù)設(shè)計(jì)，還需要用到多個(gè)互不相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。在過(guò)去，設(shè)計(jì)功能在兩個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行和重復(fù)，并通過(guò)一個(gè)非智能的ASCII接口連接（圖1（a））。兩個(gè)環(huán)境中的PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)和RF專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)系統(tǒng)有它們自己的庫(kù)、RF設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)計(jì)存檔。這就要求兩個(gè)環(huán)境中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（原理圖和版圖）和庫(kù)通過(guò)一個(gè)繁瑣的ASCII接口進(jìn)行管理和同步。在這一舊的方法下，RF設(shè)計(jì)師孤立于PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的其他部分進(jìn)行RF電路的開(kāi)發(fā)。然后該RF電路再利用ASCII文件翻譯到總體PCB設(shè)計(jì)中，從而在主PCB上創(chuàng)建出原理圖和物理實(shí)現(xiàn)。如果RF電路存在問(wèn)題，那么設(shè)計(jì)必須在獨(dú)立的RF解決方案中修正，然后再重新翻譯進(jìn)主PCB。RF模擬器只模擬了理想的射頻電路。在實(shí)際混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中有許多零碎的地層、地過(guò)空和相鄰的RF電路，這使得分析變得非常的困難，而且誰(shuí)都知道這些附加的形狀將會(huì)對(duì)RF電路運(yùn)作產(chǎn)生長(zhǎng)久的影響。這一舊方法多年來(lái)已成功地用于混合信號(hào)設(shè)計(jì)，但隨著產(chǎn)品中RF電路含量的增加，兩個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)系統(tǒng)帶來(lái)的問(wèn)題已開(kāi)始影響設(shè)計(jì)師的生產(chǎn)力、產(chǎn)品上市時(shí)間和產(chǎn)品的質(zhì)量。為了解決這些問(wèn)題，Mentor Graphics公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)，它可以將PCB原理圖和版圖工具與RF設(shè)計(jì)和模擬工具集成在一起，從而產(chǎn)生了一種新的解決方案，它可以克服傳統(tǒng)的射頻設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。RF感知（RF aware）PCB設(shè)計(jì)為保持PCB和RF設(shè)計(jì)間的設(shè)計(jì)意圖，RF設(shè)計(jì)工具必須理解PCB布局中面向?qū)樱╨ayer-oriented）的結(jié)構(gòu)，而PCB系統(tǒng)也必須理解RF設(shè)計(jì)環(huán)境中使用的參數(shù)化平面微波元件。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，PCB系統(tǒng)將RF電路的版圖構(gòu)建成短路電路，這妨礙了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)（DRC）。對(duì)當(dāng)今的復(fù)雜RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，功能上的RF感知DRC是設(shè)計(jì)方法學(xué)確保設(shè)計(jì)正確所必須的。所有這些都對(duì)保持設(shè)計(jì)意圖有幫助。保持設(shè)計(jì)意圖非常關(guān)鍵，因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)在工具集間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的多次往返而不丟失信息的基礎(chǔ)。RF設(shè)計(jì)是個(gè)反復(fù)的過(guò)程，需要采取很多步驟對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。過(guò)去，在真實(shí)的PCB設(shè)計(jì)背景下，進(jìn)行RF設(shè)計(jì)非常困難。當(dāng)當(dāng)在PCB上實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的RF模塊時(shí)，仍無(wú)法保證它仍工作在最佳狀態(tài)。作為一種驗(yàn)證，需要對(duì)PCB實(shí)現(xiàn)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析（EM）。這個(gè)設(shè)計(jì)流程存在好幾個(gè)問(wèn)題。首先，電路被當(dāng)作簡(jiǎn)單的金屬層幾何圖形進(jìn)行模擬，所以RF工具無(wú)法對(duì)金屬層進(jìn)行修改，無(wú)法把經(jīng)優(yōu)化的結(jié)果回送至PCB設(shè)計(jì)后仍擁有一個(gè)良好的RF電路。其次，EM方案很耗時(shí)。在新流程中，因?yàn)镻CB工具和RF工具對(duì)設(shè)計(jì)意圖有共識(shí)，所以電路可在工具集間傳來(lái)送去而不會(huì)丟失設(shè)計(jì)意圖。這意味著電路模擬（速度很快）和EM分析（當(dāng)需要時(shí)）可重復(fù)進(jìn)行，且可對(duì)每次電路修改的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。這一切是在真實(shí)PCB環(huán)境中完成的，包含了地平面、RF電路的版圖、導(dǎo)線、過(guò)孔及其它元件。RF PCB設(shè)計(jì)瓶頸RF PCB設(shè)計(jì)瓶頸主要有以下幾個(gè)。第一，由于PCB板上的每個(gè)RF模塊可能已經(jīng)被一個(gè)獨(dú)立的RF設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)出來(lái)，以及每個(gè)模塊可以獨(dú)立進(jìn)行升級(jí)、演變和重利用，因此將整個(gè)電路作為一個(gè)整體來(lái)管理就變得至關(guān)重要，但在任何時(shí)候仍然把這些模塊作為單獨(dú)的電路元件進(jìn)行存取。為了解決這個(gè)問(wèn)題，原理圖和版圖工具必須擴(kuò)展，以支持分層分組電路。通過(guò)這一方法，即使一個(gè)RF電路已經(jīng)在PCB上布好，它仍然可以作為一個(gè)RF電路與其它模塊放在一起，并可以連接到適當(dāng)?shù)?RF設(shè)計(jì)小組進(jìn)行分析。下一個(gè)障礙是如何設(shè)計(jì)地平面。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，采用RF金屬來(lái)作為一個(gè)黑箱金屬塊，與地的間隔是手工完成的，因?yàn)檫^(guò)空要經(jīng)過(guò)每一個(gè)地層。當(dāng)RF電路更新后（這是一個(gè)頻繁的操作），裁掉的部分就必須手動(dòng)修改以對(duì)應(yīng)新的電路。對(duì)某些設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，僅這一編輯過(guò)程可能就要花幾周的時(shí)間。