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微波級高頻電路PCB設計理念及設計原則

time : 2019-08-16 09:14       作者:凡億pcb

    本文主要針對通訊產品的一個前沿范疇——微波級高頻電路及其PCB設計方面的理念及其設計原則。之所以選擇微波級高頻電路之PCB設計原則,是因為該方面原則具有廣泛的指導意義且屬當前的高科技熱門應用技術。從微波電路PCB設計理念過渡到高速無線網絡(包括各類接入網)工程,也是一脈相通的,因為它們基于同一基本原理——雙傳輸線理論
    有經驗的射頻工程師設計的數字電路或相對較低頻率電路PCB,一次成功率是非常高的,因為他們的設計理念是以“分布”參數為核心,而分布參數概念在較低頻率電路(包括數字電路中)中的破壞作用,常為人們所忽略。
 
    長期以來,許多同行完成的電子產品(主要針對通訊產品)設計,往往問題重重。一方面固然與電原理設計(包括冗余設計、可靠性設計等方面)的必要環節缺乏有關,但更重要的,是許多這類問題在人們認為已經考慮了各項必要環節下而發生的。針對這些問題,他們往往將精力花在對程序、電原理、參數冗余等方面的核查上,卻極少將精力花在對PCB設計的審核方面,而往往正是由于PCB設計缺陷,導致大量的產品性能問題。
 
    PCB設計原則涉及到許多方方面面,包括各項基本原則、抗干擾、電磁兼容、安全防護,等等。對于這些方面,特別在高頻電路(尤其在微波級高頻電路)方面,相關理念的缺乏,往往導致整個研發項目的失敗。許多人還停留在“將電原理用導體連接起來發揮預定作用”基礎上,甚至認為“PCB設計屬于結構、工藝和提高生產效率等方面的考慮范疇”。許多專業射頻工程師也沒有充分認識到該環節在射頻設計中,應是整個設計工作的特別重點,而錯誤地將精力花費在選擇高性能的元器件,結果是成本大幅上升,性能的提高卻微乎其微。
 
    應特別在此提出的是,數字電路依靠其強的抗干擾、檢糾錯以及可任意構造各個智能環節來確保電路的正常功能。一個普通的數字應用電路而高附加地配置各類“確保正常”的環節,顯然屬于沒有產品概念的舉措。但往往在認為“不值得”的環節,卻導致產品的系列問題。原因是這類在產品工程角度看不值得構造可靠性保證的功能環節,應該建立在數字電路本身的工作機理上,只是在電路設計(包括PCB設計)中的錯誤構造,導致電路處于一種不穩定狀態。這種不穩定狀態的導致,與高頻電路的類似問題屬于同一概念下的基本應用。
 
    在數字電路中,有三個方面值得認真對待:
    (1)數字信號本身屬于廣譜信號。根據傅里葉函數結果,其包含的高頻成份非常豐富,所以數字IC在設計中,均充分考慮了數字信號的高頻分量。但除了數字IC外,各功能環節內部及之間的信號過渡區域,若任意而為,將會導致系列問題。尤其在數字與模擬和高頻電路混合應用的電路場合。
    (2)數字電路應用中的各類可靠性設計,與電路在實際應用中的可靠性要求及產品工程要求相關,不能將采用常規設計完全能達到要求的電路附加各類高成本的“保障”部分。
    (3)數字電路的工作速率正在以前所未有的發展邁向高頻(例如目前的CPU,其主頻已經達到2GHz以上,遠遠超過微波頻段下限)。盡管相關器件的可靠性保障功能也同步配套,但其建立在器件內部和典型外部信號特征基礎上。