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微波级高频电路PCB设计理念及设计原则

time : 2019-08-16 09:14       作者:凡亿pcb

    本文主要针对通讯产品的一个前沿范畴——微波级高频电路及其PCB设计方面的理念及其设计原则。之所以选择微波级高频电路之PCB设计原则,是因为该方面原则具有广泛的指导意义且属当前的高科技热门应用技术。从微波电路PCB设计理念过渡到高速无线网络(包括各类接入网)工程,也是一脉相通的,因为它们基于同一基本原理——双传输线理论
    有经验的射频工程师设计的数字电路或相对较低频率电路PCB,一次成功率是非常高的,因为他们的设计理念是以“分布”参数为核心,而分布参数概念在较低频率电路(包括数字电路中)中的破坏作用,常为人们所忽略。
 
    长期以来,许多同行完成的电子产品(主要针对通讯产品)设计,往往问题重重。一方面固然与电原理设计(包括冗余设计、可靠性设计等方面)的必要环节缺乏有关,但更重要的,是许多这类问题在人们认为已经考虑了各项必要环节下而发生的。针对这些问题,他们往往将精力花在对程序、电原理、参数冗余等方面的核查上,却极少将精力花在对PCB设计的审核方面,而往往正是由于PCB设计缺陷,导致大量的产品性能问题。
 
    PCB设计原则涉及到许多方方面面,包括各项基本原则、抗干扰、电磁兼容、安全防护,等等。对于这些方面,特别在高频电路(尤其在微波级高频电路)方面,相关理念的缺乏,往往导致整个研发项目的失败。许多人还停留在“将电原理用导体连接起来发挥预定作用”基础上,甚至认为“PCB设计属于结构、工艺和提高生产效率等方面的考虑范畴”。许多专业射频工程师也没有充分认识到该环节在射频设计中,应是整个设计工作的特别重点,而错误地将精力花费在选择高性能的元器件,结果是成本大幅上升,性能的提高却微乎其微。
 
    应特别在此提出的是,数字电路依靠其强的抗干扰、检纠错以及可任意构造各个智能环节来确保电路的正常功能。一个普通的数字应用电路而高附加地配置各类“确保正常”的环节,显然属于没有产品概念的举措。但往往在认为“不值得”的环节,却导致产品的系列问题。原因是这类在产品工程角度看不值得构造可靠性保证的功能环节,应该建立在数字电路本身的工作机理上,只是在电路设计(包括PCB设计)中的错误构造,导致电路处于一种不稳定状态。这种不稳定状态的导致,与高频电路的类似问题属于同一概念下的基本应用。
 
    在数字电路中,有三个方面值得认真对待:
    (1)数字信号本身属于广谱信号。根据傅里叶函数结果,其包含的高频成份非常丰富,所以数字IC在设计中,均充分考虑了数字信号的高频分量。但除了数字IC外,各功能环节内部及之间的信号过渡区域,若任意而为,将会导致系列问题。尤其在数字与模拟和高频电路混合应用的电路场合。
    (2)数字电路应用中的各类可靠性设计,与电路在实际应用中的可靠性要求及产品工程要求相关,不能将采用常规设计完全能达到要求的电路附加各类高成本的“保障”部分。
    (3)数字电路的工作速率正在以前所未有的发展迈向高频(例如目前的CPU,其主频已经达到2GHz以上,远远超过微波频段下限)。尽管相关器件的可靠性保障功能也同步配套,但其建立在器件内部和典型外部信号特征基础上。