射频电路PCB设计.docx
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射频电路PCB设计
射频电路PCB设计
介绍采用Protel99SE进行射频电路PCB设计的流程。
为保证电路性能，在进行射频电路PCB设计时应考虑电磁兼容性，因而重点讨论元器件的布线原则来达到电磁兼容的目的。
关键词：
射频电路PCB电磁兼容布局
随着通信技术的发展，手持无线射频电路技术运用越来越广，如：
无线寻呼机、手机、无线PDA等，其中的射频电路的性能指标直接影响整个产品的质量。
这些掌上产品的一个最大特点就是小型化，而小型化意味着元器件的密度很大，这使得元器件（包括SMD、SMC、裸片等）的相互干扰十分突出。
电磁干扰信号如果处理不当，可能造成整个电路系统的无法正常工作，因此，如何防止和抑制电磁干扰，提高电磁兼容性，就成为设计射频电路PCB时的一个非常重要的课题。
同一电路，不同的PCB设计结构，其性能指标会相差很大。
本讨论采用Protel99SE软件进行掌上产品的射频电路PCB设计时，如果最大限度地实现电路的性能指标，以达到电磁兼容要求。
1板材的选择
印刷电路板的基材包括有机类与无机类两大类。
基材中最重要的性能是介电常数εr、耗散因子（或称介质损耗）tanδ、热膨胀系数CET和吸湿率。
其中εr影响电路阻抗及信号传输速率。
对于高频电路，介电常数公差是首要考虑的更关键因素，应选择介电常数公差小的基材。
2PCB设计流程
由于Protel99SE软件的使用与Protel98等软件不同，因此，首先简要讨论采用Protel99SE软件进行PCB设计的流程。
①由于Protel99SE采用的是工程（PROJECT）数据库模式管理，在Windows99下是隐含的，所以应先键立1个数据库文件用于管理所设计的电路原理图与PCB版图。
②原理图的设计。
为了可以实现网络连接，在进行原理设计之间，所用到的元器件都必须在元器件库中存在，否则，应在SCHLIB中做出所需的元器件并存入库文件中。
然后，只需从元器件库中调用所需的元器件，并根据所设计的电路图进行连接即可。
③原理图设计完成后，可形成一个网络表以备进行PCB设计时使用。
④PCB的设计。
a.PCB外形及尺寸的确定。
根据所设计的PCB在产品的位置、空间的大小、形状以及与其它部件的配合来确定PCB的外形与尺寸。
在MECHANICALLAYER层用PLACETRACK命令画出PCB的外形。
b.根据SMT的要求，在PCB上制作定位孔、视眼、参考点等。
c.元器件的制作。
假如需要使用一些元器件库中不存在的特殊元器件，则在布局之前需先进行元器件的制作。
在Protel99SE中制作元器件的过程比较简单，选择“DESIGN”菜单中的“MAKELIBRARY”命令后就进入了元器件制作窗口，再选择“TOOL”菜单中的“NEWCOMPONENT”命令就可以进行元器件的设计。
这时只需根据实际元器件的形状、大小等在TOPLAYER层以PLACEPAD等命令在一定的位置画出相应的焊盘并编辑成所需的焊盘（包括焊盘形状、大小、内径尺寸及角度等，另外还应标出焊盘相应的引脚名），然后以PLACETRACK命令在TOPOVERLAYER层中画出元器件的最大外形，取一个元器件名存入元器件库中即可。
d.元器件制作完成后，进行布局及布线，这两部分在下面具体进行讨论。
e.以上过程完成后必须进行检查。
这一方面包括电路原理的检查，另一方面还必须检查相互间的匹配及装配问题。
电路原理的检查可以人工检查，也可以采用网络自动检查（原理图形成的网络与PCB形成的网络进行比较即可）。
f.检查无误后，对文件进行存档、输出。
在Protel99SE中必须使用“FILE”选项中的“EXPORT”命令，把文件存放到指定的路径与文件中（“IMPORT”命令则是把某一文件调入到Protel99SE中）。
注：
在Protel99SE中“FILE”选项中的“SAVECOPYAS…”命令执行后，所选取的文件名在Windows98中是不可见的，所以在资源管理器中是看不到该文件的。
这与Protel98中的“SAVEAS…”功能不完全一样。
3元器件的布局
由于SMT一般采用红外炉热流焊来实现元器件的焊接，因而元器件的布局影响到焊点的质量，进而影响到产品的成品率。
而对于射频电路PCB设计而言，电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁辐射，并且具有一定的抗电磁干扰能力，因此，元器件的布局还直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力，这也直接关系到所设计电路的性能。
因此，在进行射频电路PCB设计时除了要考虑普通PCB设计时的布局外，主要还须考虑如何减小射频电路中各部分之间相互干扰、如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。
根据经验，对于射频电路效果的好坏不仅取决于射频电路板本身的性能指标，很大部分还取决于与CPU处理板间的相互影响，因此，在进行PCB设计时，合理布局显得尤为重要。
布局总原则：
元器件应尽可能同一方向排列，通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象；根据经验元器件间最少要有0.5mm的间距才能满足元器件的熔锡要求，若PCB板的空间允许，元器件的间距应尽可能宽。
对于双面板一般应设计一面为SMD及SMC元件，另一面则为分立元件。
布局中应注意：
*首先确定与其它PCB板或系统的接口元器件在PCB板上的位置，必须注意接口元器件间的配合问题（如元器件的方向等）。
*因为掌上用品的体积都很小，元器件间排列很紧凑，因此对于体积较大的元器件，必须优先考虑，确定出相应位置，并考虑相互间的配合问题。
*认真分析电路结构，对电路进行分块处理（如高频放大电路、混频电路及解调电路等），尽可能将强电信号和弱电信号分开，将数字信号电路和模拟信号电路分开，完成同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内，从而减小信号环路面积；各部分电路的滤波网络必须就近连接，这样不仅可以减小辐射，而且可以减少被干扰的几率，根据电路的抗干扰能力。
*根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组。
对于电路中易受干扰部分的元器件在布局时还应尽量避开干扰源（比如来自数据处理板上CPU的干扰等）。
4布线
在基本完成元器件的布局后，就可开始布线了。
布线的基本原则为：
在组装密度许可情况下后，尽量选用低密度布线设计，并且信号走线尽量粗细一致，有利于阻抗匹配。
对于射频电路，信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计，可能造成信号信号传输线之间的交叉干扰；另外，系统电源自身还存在噪声干扰，所以在设计射频电路PCB时一定要综合考虑，合理布线。
布线时，所有走线应远离PCB板的边框（2mm左右），以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。
电源线要尽中能宽，以减少环路电阻，同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，以提高抗干扰能力；所布信号线应尽可能短，并尽量减少过孔数目；各元器件间的连线越短越好，以减少分布参数和相互间的电磁干扰；对于不相容的信号线应量相互远离，而且尽量避免平行走线，而在正向两面的信号线应用互垂直；布线时在需要拐角的地址方应以135°角为宜，避免拐直角。
布线时与焊盘直接相连的线条不宜太宽，走线应尽量离开不相连的元器件，以免短路；过孔不腚画在元器件上，且应尽量远离不相连的元器件，以免在生产中出现虚焊、连焊、短路等现象。
在射频电路PCB设计中，电源线和地线的正确布线显得尤其重要，合理的设计是克服电磁干扰的最重要的手段。
PCB上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的，其中地线引起的噪声干扰最大。
地线容易形成电磁干扰的主要原因于地线存在阻抗。
当有电流流过地线时，就会在地线上产生电压，从而产生地线环路电流，形成地线的环路干扰。
当多个电路共用一段地线时，就会形成公共阻抗耦合，从而产生所谓的地线噪声。
因此，在对射频电路PCB的地线进行布线时应该做到：
*首先，对电路进行分块处理，射频电路基本上可分成高频放大、混频、解调、本振等部分，要为各个电路模块提供一个公共电位参考点即各模块电路各自的地线，这样信号就可以在不同的电路模块之间传输。
然后，汇总于射频电路PCB接入地线的地方，即汇总于总地线。
由于只存在一个参考点，因此没有公共阻抗耦合存在，从而也就没有相互干扰问题。
*数字区与模拟区尽可能地线进行隔离，并且数字地与模拟地要分离，最后接于电源地。
*在各部分电路内部的地线也要注意单点接地原则，尽量减小信号环路面积，并与相应的滤波电路的地址就近相接。
*在空间允许的情况下，各模块之间最好能以地线进行隔离，防止相互之间的信号耦合效应。
5结论
射频电路PCB设计的关键在于如何减少辐射能力以及如何提高抗干扰能力，合理的布局与布线是设计射频电路PCB的保证。
文中所述方法有利于提高射频电路PCB设计的可靠性，解决好电磁干扰问题，进而达到电磁兼容的目的。
设计技巧整理
设计技巧整理
1.DOS版Protel软件设计的PCB文件为何在我的电脑里调出来不是全图？
有许多老电子工程师在刚开始用电脑绘制PCB线路图时都遇到过这样的问题，难道是我的电脑内存不够吗？
我的电脑可有64M内存呀！
可屏幕上的图形为何还是缺胳膊少腿的呢？
不错，就是内存配置有问题，您只需在您的CONFIG.SYS文件（此文件在C:
\根目录下，若没有，则创建一个）中加上如下几行，存盘退出后
重新启动电脑即可。
DEVICE=C:
\WINDOWS\SETVER.EXE
DEVICE=C:
\WINDOWS\HIMEM.SYS
DEVICE=C:
\WINDOWS\EMM386.EXE
16000
2.如何确定大电流导线线宽？
请见1989年国防工业出版社出版的《电子工业生产技术手册》Vol12中的图形说明。
3.为何要将PCB文件转换为GERBER文件和钻孔数据后交PCB厂制板？
大多数工程师都习惯于将PCB文件设计好后直接送PCB厂加工，而国际上比较流行的做法是将PCB文件转换为GERBER文件和钻孔数据后交PCB厂，为何要“多此一举”呢？
因为电子工程师和PCB工程师对PCB的理解不一样，由PCB工厂转换出来的GERBER文件可能不是您所要的，如您在设计时将元件的参数都定义在PCB文件中，您又不想让这些参数显示在PCB成品上，您未作说明，PCB厂依葫芦画瓢将这些参数都留在了PCB成品上。
这只是一个例子。
若您自己将PCB文件转换成GERBER文件就可避免此类事件发生。
GERBER文件是一种国际标准的光绘格式文件，它包含RS-274-D和RS-274-X两种格式，其中RS-274-D称为基本GERBER格式，并要同时附带D码文件才能完整描述一张图形；RS-274-X称为扩展GERBER格式，它本身包含有D码信息。
常用的CAD软件都能生成此二种格式文件。
如何检查生成的GERBER正确性？
您只需在免费软件
ViewmateV6.3中导入这些GERBER文件和D码文件即可在屏幕上看到或通过打印机打出。
钻孔数据也能由各种CAD软件产生，一般格式为Excellon，在Viewmate中也能显示出来。
没有钻孔数据当然做不出PCB了。
4.如何提高布通率？
完成一个印制板图的设计一般都要经过原理图输入--网络表生成--定义KeepoutLayer--网络表（元件）加载--元件布局--自动（手动）布线等过程。
现今市面上流行的几种软件在元件自动步局功能上都不是很强大，往往通过手工步局更能提高布通率，但请别忘了充分运用MovetoGird功能，她能将元件自动移到网格交叉点上，对提高布通率大有益处。
5.PCB文件中如何加上汉字？
在PCB文件中加汉字的方法有很多种，本人比较喜欢的方法还是下面将要介绍的：
A.前提条件：
您的PC中应安装有Protel99软件并能正常运行.
B.步骤：
将windows目录中的client99.rcs英文菜单文件copy到另一目录下保存起来;下载Protel99cn.zip解包后将其中的client99.rcs复制到windows目录下;再将其他文件复制到DesignExplorer99目录中；重新启动计算机后运行Protel99即会出现中文菜单，在放置|汉字菜单中可实现加汉字功能。
用PROTEL99制作印刷电路版的基本流程
用PROTEL99制作印刷电路版的基本流程
一、电路版设计的先期工作
1、利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。
当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。
2、手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。
将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。
二、画出自己定义的非标准器件的封装库
建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB库专用设计文件。
三、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的版框含中间的镂空等
1、进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。
大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。
2、规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。
在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。
对于3mm的螺丝可用6.5~8mm的外径和3.2~3.5mm内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCBizard中调入。
注意：
在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成KeepOut层，即禁止布线层。
四、打开所有要用到的PCB库文件后，调入网络表文件和修改零件封装
这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。
在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。
因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。
当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。
五、布置零件封装的位置，也称零件布局
Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。
如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"AutoPlace",用这个命令，你需要有足够的耐心。
布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。
用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。
Protel99在布局方面新增加了一些技巧。
新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。
使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。
当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。
提示：
在自动选择时，使用Shift+X或Y和Ctrl+X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。
注意：
零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。
先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。
六、根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定
假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。
对于大板子，应在中间多加固定螺丝孔。
板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边上也应加固定螺丝孔，有需要的话可在适当位置放上一些测试用焊盘，最好在原理图中就加上。
将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。
放好后用VIEW3D功能察看一下实际效果，存盘。
七、布线规则设置
布线规则是设置布线的各个规范（象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules的Menu处从其它板导出后，再导入这块板）这个步骤不必每次都要设置，按个人的习惯，设定一次就可以。
选Design-Rules一般需要重新设置以下几点:
1、安全间距（Routing标签的ClearanceConstraint）
它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。
一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm，极少数印板加工厂家的生产能力在0.1-0.15mm，假如能征得他们同意你就能设成此值。
0.1mm以下是绝对禁止的。
2、走线层面和方向（Routing标签的RoutingLayers）
此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向。
请注意贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层，但是多层板的电源层不是在这里设置的（可以在Design-LayerStackManager中，点顶层或底层后，用AddPlane添加，用鼠标左键双击后设置，点中本层后用Delete删除），机械层也不是在这里设置的（可以在Design-MechanicalLayer中选择所要用到的机械层，并选择是否可视和是否同时在单层显示模式下显示）。
机械层1 一般用于画板子的边框；
机械层3 一般用于画板子上的挡条等机械结构件；
机械层4 一般用于画标尺和注释等，具体可自己用PCBWizard中导出一个PCAT结构的板子看一下。
3、过孔形状（Routing标签的RoutingViaStyle）
它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的，下同。
4、走线线宽（Routing标签的WidthConstraint）
它规定了手工和自动布线时走线的宽度。
整个板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，另添加一些网络或网络组（NetClass）的线宽设置，如地线、+5伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。
网络组可以事先在Design-NetlistManager中定义好，地线一般可选1mm宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm宽度，印板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。
当线径首选值太大使得SMD焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，其中Board为对整个板的线宽约束，它的优先级最低，即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件。
5、敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的PolygonConnectStyle）
建议用ReliefConnect方式导线宽度ConductorWidth取0.3-0.5mm4根导线45或90度。
其余各项一般可用它原先的缺省值，而象布线的拓朴结构、电源层的间距和连接形状匹配的网络长度等项可根据需要设置。
选Tools-Preferences，其中Options栏的InteractiveRouting处选PushObstacle（遇到不同网络的走线时推挤其它的走线，IgnoreObstacle为穿过，AvoidObstacle为拦断）模式并选中AutomaticallyRemove（自动删除多余的走线）。
Defaults栏的Track和Via等也可改一下，一般不必去动它们。
在不希望有走线的区域内放置FILL填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在布线层，要上锡的在Top或BottomSolder相应处放FILL。
布线规则设置也是印刷电路版设计的关键之一，需要丰富的实践经验。
八、自动布线和手工调整
1、点击菜单命令AutoRoute/Setup对自动布线功能进行设置
选中除了AddTestpoints以外的所有项，特别是选中其中的LockAllPre-Route选项，RoutingGrid可选1mil等。
自动布线开始前PROTEL会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小板越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。
2、点击菜单命令AutoRoute/All开始自动布线
假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。
完成后做一次DRC，有错则改正。
布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。
3、对布线进行手工初步调整
需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D功能察看实际效果。
手工调整中可选Tools-DensityMap查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End键刷新屏幕。
红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。
九、切换到单层显示模式下（点击菜单命令Tools/Preferences，选中对话框中Display栏的SingleLayerMode）
将每个布线层的线拉整齐和美观。
手工调整时应经常做DRC，因为有时候有些线会断开而你可能会从它断开处中间走上好几根线，快完成时可将每个布线层单独打印出来，以方便改线时参考，其间也要经常用3D显示和密度图功能查看。
最后取消单层显示模式，存盘。
十、如果器件需要重新标注可点击菜单命令Tools/Re-Annotate并选择好方向后，按OK钮。
并回原理图中选Tools-BackAnnotate并选择好新生成的那个*.WAS文件后，按OK钮。
原理图中有些标号应重新拖放以求美观，全部调完并DRC通过后，拖放所有丝印层的字符到合适位置。
注意字符尽量不要放在元件下面或过孔焊盘上面。
对于过大的字符可适当缩小，DrillDrawing层可按需放上一些坐标（Place-Coordinate）和尺寸（（Place-Dimension）。
最后再放上印板名称、设计版本号、公司名称、文件首次加工日期、印板文件名、文件加工编号等信息（请参见第五步图中所示）。
并可用第三方提供的程序来加上图形和中文注释如BMP2PCB.EXE和宏势公司ROTEL99和PROTEL99SE专用PCB汉字输入程序包中的FONT.EXE等。
十一、对所有过孔和焊盘补泪滴
补泪滴可增加它们的牢度，但会使板上的线变得较难看。
顺序按下键盘的S和A键（全选），再选择Tools-Teardrops，选中General栏的前三个，并选Add和Track模式，如果你不需要把最终文件转为PROTEL的DOS版格式文件的话也可用其它模式，后按OK钮。
完成后顺序按下键盘的X和A键（全部不选中）。
对于贴片和单面板一定要加。
十二、放置覆铜区
将设计规则里的安全间距暂时改为0.5-1mm并清除错误标记，选Place-PolygonPlane在各布线层放置地线网络的覆铜（尽量用八角形，而不是用圆弧来包裹焊盘。
最终要转成DOS格式文件的话，一定要选择用八角形）。
下图即为一个在顶层放置覆铜的设置举例：
设置完成后，再按OK扭，画出需覆铜区域的边框，最后一条边可不画，直接按鼠标右键就可开始覆铜。
它缺省认为你的起点和终点之间始终用一条直线相连，电路频率较高时可选GridSize比TrackWidth大，覆出网格线。
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