無線連接與微控制器 （MCU） 的片上系統(tǒng) （SoC） 集成是整個物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 中連接設(shè)備應(yīng)用的支持技術(shù)。最新的無線 SoC 設(shè)備加速了高性能網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，使緊湊、低功耗和具有成本效益的系統(tǒng)設(shè)計能夠在更短的時間內(nèi)投放市場。無論是可穿戴設(shè)備和智能手機之間的藍(lán)牙連接，還是使用 ZigBee 或 Thread 作為通信協(xié)議的智能家居應(yīng)用，底層技術(shù)都依賴于以高達(dá) 2.4 GHz 的頻率傳輸和接收射頻 （RF） 信號。最大化任何無線連接的性能意味著密切關(guān)注射頻電路設(shè)計，尤其是電路板布局。

無線設(shè)計可能具有挑戰(zhàn)性，因為所需的射頻信號通常與不需要的射頻信號非常接近，例如 MCU 時鐘或開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻信號。因此，由不良設(shè)計實現(xiàn)的通信范圍可能會受到損害，或者需要更高的發(fā)射功率水平來補償，這將導(dǎo)致便攜式設(shè)備的電池壽命縮短。更高功率的信號還會產(chǎn)生雜散信號，可能會對其他設(shè)備造成干擾，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)管要求。

由于這些原因，了解有效無線通信的設(shè)計目標(biāo)、電路布局如何影響這些目標(biāo)以及最重要的是如何通過遵循一些簡單的最佳實踐從設(shè)計中提取最大射頻性能是很有幫助的。我們將參考 Silicon Labs 的 EFR32 Wireless Gecko SoC 的特定電路板布局來探索這些。

影響射頻性能的因素

無線設(shè)備的射頻性能主要取決于印刷電路板 （PCB） 射頻部分的設(shè)計和布局。匹配網(wǎng)絡(luò)中 RF 組件的位置，就其方向和與其他組件的分離而言，會對不需要的信號的耦合產(chǎn)生重大影響。RF 走線的布線和尺寸與設(shè)計中使用的天線的選擇同樣重要。此外，接地金屬化、非射頻走線（尤其是電源線）的布線以及 PCB 本身的性質(zhì)（如板厚、介電常數(shù)和層數(shù)）等因素都在整體設(shè)計。安裝在板上的其他組件，包括 MCU 時鐘電路和電源轉(zhuǎn)換器，可能會在射頻頻譜中產(chǎn)生過多的雜散，從而導(dǎo)致靈敏度下降。因此，采用適當(dāng)?shù)臑V波將高頻信號與這些源隔離并防止它們到達(dá)射頻路徑非常重要。

為了更好地理解如何完成這種濾波，我們首先需要了解射頻電路的功能。IC內(nèi)的無線電包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器 （Tx） 的目標(biāo)是將盡可能多的有用信號驅(qū)動到天線中。在 RF IC 和負(fù)載之間使用阻抗變換旨在最大限度地提高基頻的輻射功率，并最大限度地減少諧波和其他雜散頻率的任何耗散損耗。這是通過由串聯(lián)電感器和并聯(lián)電容器組成的組合匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。對于在 2.4 GHz 下以高于 13 dBm 的 Tx 功率水平運行，建議使用如圖 1 所示的 4 元素梯形圖。當(dāng)以較低功率運行時，2 元件 LC 網(wǎng)絡(luò)可能就足夠了。在接收模式下，

【圖1 | 用于 2.4 GHz 的四元發(fā)射機匹配網(wǎng)絡(luò)］

布置 RF 部分時的注意事項

雖然無線 SoC 供應(yīng)商提供的參考設(shè)計旨在提供最佳的射頻性能，但由于尺寸或形狀因素的限制，并不總是可以將這種設(shè)計照原樣復(fù)制到終端系統(tǒng)設(shè)計中。顯然，與參考設(shè)計的任何偏差都會影響性能。在涉及的高頻下，由于電路板走線長度不同，元件之間距離的變化會引入寄生電感。不同的基板厚度或介電常數(shù)，或跡線之間的間隙，可能會引入寄生電容。改變組件相對于彼此的間距或方向會影響信號耦合，而改變推薦的組件類型或尺寸也會引入不同的組件寄生效應(yīng)。

糟糕的設(shè)計選擇會導(dǎo)致匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)失諧，也可能導(dǎo)致晶體負(fù)載失諧。這樣做的可能后果是 Tx 輸出功率降低、Rx 靈敏度降低、雜散發(fā)射水平增加、電流消耗增加以及不同板之間可能出現(xiàn)頻率偏移，所有這些都可以在傳導(dǎo)和傳導(dǎo)和輻射信號測量。

此外，問題不一定局限于電路板的射頻部分。從射頻輻射的角度來看，必須考慮整個 PCB 設(shè)計，因為接地層及其尺寸等因素會影響發(fā)射信號的功率，尤其是在使用單極型天線時。接地層的屏蔽效應(yīng)也會影響輻射雜散的水平，非射頻走線也會如此，因此必須注意確保這些都很好地保持在 EMC 限制范圍內(nèi)。還應(yīng)該理解，即使是按原樣使用的參考設(shè)計也不是完整的應(yīng)用程序，對于參考設(shè)計區(qū)域之外的板上的其他電路，也應(yīng)該采取類似的謹(jǐn)慎措施。

遵循 RF 部分的最佳布局實踐

當(dāng)無法完全按原樣實施參考設(shè)計時，遵循一些指導(dǎo)原則是值得的。圖 2 顯示了 2.4 GHz 無線電板布局的示例指南。

從匹配網(wǎng)絡(luò)開始，第一個組件應(yīng)盡可能靠近 RF IC 的 Tx 輸出引腳放置，以減少因擴(kuò)展信號走線的寄生電感而產(chǎn)生的失諧效應(yīng)。其余匹配網(wǎng)絡(luò)組件應(yīng)彼此靠近放置，以最大限度地減少任何 PCB 對地寄生電容或組件之間的進(jìn)一步走線寄生電感。理想情況下，用于連接這些組件的走線寬度應(yīng)與焊盤寬度相同，對于 0402 尺寸的 SMD 組件，該寬度通常為 0.5 mm。

【圖2 | 顯示關(guān)鍵電路區(qū)域的 2.4 GHz EFR32 無線電板布局］

在所有電源引腳上正確放置去耦電容至關(guān)重要。最低值的旁路電容器會濾除基本 Tx/Rx 頻率附近的信號，并且需要放置在最靠近 IC 引腳的位置，并使用多個通孔連接到接地層，并具有良好的接地。值約為 100 nF 的旁路電容器將抑制數(shù)十兆赫茲范圍內(nèi)的時鐘信號，否則這些時鐘信號可能會在芯片內(nèi)上變頻，從而在載波頻率周圍產(chǎn)生不需要的雜散。最大值電容器旨在濾除來自開關(guān)電源的干擾，該干擾通常約為數(shù)百千赫。這些可以放置在離電源引腳更遠(yuǎn)的地方，顯然在電池供電設(shè)備的情況下不需要。

晶體應(yīng)盡可能靠近 RF IC 放置，以確保最小化過孔寄生電容并減少任何頻率偏移。晶體的外殼應(yīng)使用多個過孔連接到地，以避免來自未接地部件的輻射，因為任何未連接和浮動的金屬都可能充當(dāng)不需要的輻射器。在晶振和 VDD 走線之間使用隔離接地金屬將避免由電源對晶振造成的任何失諧效應(yīng)，并且同樣可以避免晶振或時鐘信號及其諧波泄漏到電源線。

良好的接地連接至關(guān)重要，并且有許多與這種做法相關(guān)的建議。電容器接地引腳附近的走線應(yīng)加厚，以提高散熱帶的接地效果（用于冷卻）并最大限度地減少接地之間的串聯(lián)寄生電感（電路板的未使用區(qū)域填充有接地的銅）和接地引腳?？拷娙萜鹘拥匾_并連接到底層或內(nèi)層接地層的額外過孔將進(jìn)一步有助于減少這些影響。

RF IC 焊盤的裸露焊盤占位面積應(yīng)使用多個過孔，以確保良好的接地以及良好的散熱能力。在圖 2 所示的布局中，7 mm x 7 mm 尺寸的 IC 封裝有 25 個通孔，每個通孔直徑為 0.25 mm。如果可能，焊盤接地應(yīng)連接到頂層接地金屬，以進(jìn)一步改善射頻接地。這可以通過通過 IC 封裝角落的對角跡線連接來實現(xiàn)。信號，尤其是高頻諧波，有時會耦合在附近濾波電容器的接地連接之間。通過將這些電容器連接到傳輸線兩側(cè)的地，可以避免問題。

在匹配網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，建議確保走線或焊盤與相鄰接地澆注之間的距離至少為 0.5 mm。這將最大限度地減少任何寄生電容并減少失諧效應(yīng)。對于 4 層 PCB，頂層下方的第一個內(nèi)層應(yīng)在 RF IC 和匹配網(wǎng)絡(luò)下方填充連續(xù)的接地金屬。這種技術(shù)將確保到 RF IC 接地的良好低阻抗信號路徑，并且通過不在該區(qū)域放置任何布線，將防止與匹配網(wǎng)絡(luò)的任何耦合效應(yīng)。還建議不要以任何方式阻塞 Tx/Rx 匹配網(wǎng)絡(luò)的接地過孔和 RF IC 焊盤的接地過孔之間的接地返回路徑。返回電流應(yīng)該有一條清晰、暢通無阻的路徑，通過接地層返回 RF IC。

最后，關(guān)于射頻部分，應(yīng)使用 50 歐姆接地共面?zhèn)鬏斁€連接到遠(yuǎn)處的射頻組件，例如板載天線或天線連接器。這將降低對 PCB 引起的任何信號變化的敏感度，還將減少不需要的輻射和耦合效應(yīng)。耦合器線附近的多個接地通孔可以進(jìn)一步減少輻射。傳輸線的使用如圖 3 所示。

整個 PCB 的最佳實踐布局設(shè)計

雖然作為最低要求，最好在 PCB 的 RF 部分區(qū)域周圍有一個大的連續(xù)接地金屬化，但通過將這種技術(shù)應(yīng)用于整個 PCB 可以獲得更好的性能。為了實現(xiàn)良好的射頻接地，整個接地區(qū)域的射頻電壓電位應(yīng)相等。這有助于保持適當(dāng)?shù)?VDD 濾波，并為單極型天線提供良好的接地層。間隙應(yīng)該用接地金屬填充，頂層和底層的結(jié)果部分應(yīng)該用盡可能多的過孔連接。

為了減少邊緣場引起的諧波輻射，應(yīng)在任何接地金屬區(qū)域的邊緣部署多個接地通孔，尤其是在 PCB 邊緣和電源走線周圍，如圖 3 所示。在具有兩個以上的電路板設(shè)計中層，所有的導(dǎo)線或走線都應(yīng)放置在內(nèi)層之一中，尤其是電源走線，并且整個頂層和底層應(yīng)包含盡可能多的連續(xù)接地金屬化，以減少來自這些走線的任何輻射。還建議避免將電源走線放置在靠近 PCB 邊緣的位置。

【圖3 | 顯示傳輸線和 PCB 邊緣接地過孔的整個電路板布局］

結(jié)論

我們都欣賞無線連接的好處，無論是在我們的消費技術(shù)小工具與我們的智能手機、平板電腦和筆記本電腦之間，還是在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)的更廣泛領(lǐng)域中。這一承諾的實現(xiàn)取決于將各種“東西”連接在一起并連接到互聯(lián)網(wǎng)，其中許多需要在合理距離內(nèi)進(jìn)行無線通信，同時在電池必須更換或充電之前長時間運行。

實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的承諾還需要可靠、經(jīng)濟(jì)高效的連接解決方案，該解決方案基于可輕松集成到最終產(chǎn)品設(shè)計中的無線 SoC。然而，RF 設(shè)計從來都不是一件容易的事，從 RF 電路布局中獲得最佳性能可能具有挑戰(zhàn)性。使用無線 SoC 供應(yīng)商的參考設(shè)計可能是一個不錯的方法，但有時這是不可能的。遵循良好的 RF 設(shè)計實踐始終很重要，以確保滿足通信范圍和功耗的目標(biāo)，而不會產(chǎn)生不必要的干擾問題和不符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)要求。

審核編輯：郭婷