單片射頻器件大大方便了一定范圍內(nèi)無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用，采用合適的微控制器和天線并結(jié)合此收發(fā)器件即可構(gòu)成完整的無線通信鏈路。它們可以集成在一塊很小的電路板上，應(yīng)用于無線數(shù)字音頻、數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無線遙控和遙測系統(tǒng)，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)以及無線安全防范系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。

1、數(shù)字電路與模擬電路的潛在矛盾
如果模擬電路（射頻） 和數(shù)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，使用同一個電源供電一起工作，整個系統(tǒng)很可能就會不穩(wěn)定。這主要是因為數(shù)字信號頻繁的在地和正電源（大小 3 V） 之間擺動，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間，使得這些數(shù)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，從天線調(diào)諧回路傳到無線設(shè)備接收部分的信號一般小于 1μV。因此數(shù)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(shù)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，無線設(shè)備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。

2 、RF 電路和數(shù)字電路做在同塊 PCB 上的常見問題

不能充分的隔離敏感線路和噪聲信號線是常常出現(xiàn)的問題。如上所述，數(shù)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(shù)字信號布線鄰近敏感的模擬信號，高頻諧波可能會耦合過去。RF 器件的最敏感節(jié)點通常為鎖相環(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(zhǔn)信號和天線端子，電路的這些部分應(yīng)該特別仔細(xì)處理。

（1） 供電電源噪聲

由于輸入 / 輸出信號有幾 V 的擺幅，數(shù)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(dāng)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 板上的電源線布線必須比在普通數(shù)字電路板上布線更加仔細(xì)，應(yīng)避免采用自動布線。同時也應(yīng)注意到，微控制器（或其他數(shù)字電路） 會在每個內(nèi)部時鐘周期內(nèi)短時間突然吸入大部分電流，這是由于現(xiàn)代微控制器都采用 CMOS 工藝設(shè)計。因此，假設(shè)一個微控制器以 1 MHz 的內(nèi)部時鐘頻率運行，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(yán)重的可能導(dǎo)致工作失效，因此必須保證將模擬電源線與數(shù)字電路區(qū)域隔開。

（2） 不合理的地線

RF 電路板應(yīng)該總是布有與電源負(fù)極相連的地線層，如果處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對于一個數(shù)字電路設(shè)計者來說這也許難于理解，因為即使沒有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在 RF 頻段，即使一根很短的線也會如電感一樣作用。粗略計算，每 mm 長度的電感量約為 1 nH ， 434 MHz 時 10 mmPCB 線路的感抗約為 27 Ω。如果不采用地線層，大多數(shù)地線將會較長，電路將無法保證設(shè)計特性。

（3） 天線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(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 用于測量模擬輸入以及電池電壓或其他參數(shù)。如果射頻發(fā)送器的天線位于此 PCB 附近（或就在此 PCB 上） ，發(fā)出的高頻信號可能會到達 ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線路都可能如天線一樣發(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 ADC 輸入的 ESD 二極管內(nèi)自激，從而引起 ADC 的偏差。

3、 RF 電路和數(shù)字電路做在同塊 PCB 上的解決方案

以下給出在大多數(shù) RF 應(yīng)用中的一些通用設(shè)計和布線策略。然而，遵循實際應(yīng)用中 RF 器件的布線建議更為重要。

（1） 一個可靠的地線層面

當(dāng)設(shè)計有 RF 元件的 PCB 時，應(yīng)該總是采用一個可靠的地線層。其目的是在電路中建立一個有效的 0 V 電位點，使所有的器件容易去耦。供電電源的 0 V 端子應(yīng)直接連接在此地線層。由于地線層的低阻抗，已被去耦的兩個節(jié)點間將不會產(chǎn)生信號耦合。對于板上多個信號幅值可能相差 120 dB ，這一點非常重要。在表面貼裝的 PCB 上，所有信號布線在元件安裝面的同一面，地線層則在其反面。理想的地線層應(yīng)覆蓋整個 PCB （ 除了天線 PCB 下方） 。如果采用兩層以上的 PCB ，地線層應(yīng)放置在鄰近信號層的層上（如元件面的下一層） 。另一個好方法是將信號布線層的空余部分也用地線平面填充，這些地線平面必須通過多個過孔與主地線層面連接。需要注意的是：由于接地點的存在會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(xì)考慮的。

（2） 縮短與地線層的連接距離

所有對地線層的連接必須盡量短，接地過孔應(yīng)放置在（或非常接近） 元件的焊盤處。決不要讓兩個地信號共用一個接地過孔，這可能導(dǎo)致由于過孔連接阻抗在兩個焊盤之間產(chǎn)生串?dāng)_。

（3） RF 去耦

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

（4） 電源的星形布線

星形布線是模擬電路設(shè)計中眾所周知的技巧 。星形布線———電路板上各模塊具有各自的來自公共供電電源點的電源線路。在這種情況下，星形布線意味著電路的數(shù)字部分和 RF 部分應(yīng)有各自的電源線路，這些電源線應(yīng)在靠近 IC 處分別去耦。這是一個隔開來自數(shù)字部分和來自 RF 部分電源噪聲的有效方法。如果將有嚴(yán)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(qū)動器或開關(guān)電源穩(wěn)壓器。

（5） 合理安排 PCB 布局

為減小來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(yīng)總是將敏感的模塊（ RF 部分和天線） 遠離噪聲模塊（微控制器和 RS 232 驅(qū)動器）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)送時會對其他敏感模擬電路模塊如 ADC 造成干擾。大多數(shù)問題發(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） 連接到地來去耦敏感點是一個好的設(shè)計習(xí)慣。

（7） 在板環(huán)形天線的特別考慮

天線可以整體做在 PCB 上。對比傳統(tǒng)的鞭狀天線，不僅節(jié)省空間和生產(chǎn)成本，機構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。慣例中，環(huán)形天線（loop antenna） 設(shè)計應(yīng)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(yīng)注意到環(huán)形天線（正如所有其他天線） 可能收到由附近噪聲信號線路容性耦合的噪聲。它會干擾接收器，也可能影響發(fā)送器的調(diào)制。因此在天線附近一定不要布數(shù)字信號線路，并建議在天線周圍保持自由空間。接近天線的任何物體都將構(gòu)成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的一部分，而導(dǎo)致天線調(diào)諧偏離預(yù)想的頻點，使收發(fā)輻射范圍（距離） 減小。對于所有的各類天線必須注意這一事實，電路板的外殼（外圍包裝） 也可能影響天線調(diào)諧。同時應(yīng)注意去除天線面積處的地線層面，否則天線不能有效工作。

（8） 電路板的連接

如果用電纜將 RF 電路板連接到外部數(shù)字電路，應(yīng)使用雙絞線纜。每一根信號線必須和 GND 線雙絞在一起（DIN/ GND ， DOUT/ GND ， CS/ GND ， PWR _ UP/ GND） 。切記將 RF 電路板和數(shù)字應(yīng)用電路板用雙絞線纜的 GND 線連接起來，線纜長度應(yīng)盡量短。給 RF 電路板供電的線路也必須與 GND 雙絞（VDD/ GND） 。

結(jié)論

迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事無線數(shù)字音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無線遙控、遙測系統(tǒng)，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)以及無線安全防范系統(tǒng)等設(shè)計的工程技術(shù)人員解決無線應(yīng)用的瓶頸提供了最大的可能。同時，射頻電路的設(shè)計又要求設(shè)計者具有一定的實踐經(jīng)驗和工程設(shè)計能力。本文是筆者在實際開發(fā)中總結(jié)的經(jīng)驗，希望可以幫助眾多射頻集成電路開發(fā)者縮短開發(fā)周期，避免走不必要的彎路，節(jié)省人力和財力。

審核編輯黃昊宇