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[技术交流] 射频模组PCB设计指南

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发表于 2022-4-22 11:56:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
  背景

  本文为使用模组做PCB的硬件工程师提供参考。

  本设计规则专为协助客户在无线模块及射频芯片设计过程中涉及到的PCB LAYOUT设计而提出,以下列各项设计规则对照检查PCB设计的合理性。

  部的Sub-1GHZ模块及蓝牙模块设计。

  射频(RF)PCB设计总则:
  1 严格隔离与良好区分
  2 合理布局
  3 走线满足阻抗要求,且尽可能短
  4 空间满足PCB天线的设计

  过程

  一、问题点以及解决办法

  1、正确设计案例
  2、缺陷设计案例
  3、设计规则
  (1)隔离与区分:与其它易干扰部分分区及隔离,需远离可能有强电磁辐射区域,如大线圈、变压器、开关器件(尤其是需频繁开关的器件)等等。
  适用范围:模块及芯片级设计
  (2)PCB板净空空间:天线下方的PCB板需要净空,不能敷铜;天线附近最好不要有高的金属器件。
  适用范围:模块及芯片级设计
  (3)根据实际产品的结构及结合规则(1)和规则(2) 选择合适的天线输入输出口位置。
  适用范围:模块及芯片级设计
  (4)走线阻抗控制:双面板参考推荐值,四层及多层板则需视叠层结构;要求走线阻抗满足50ohm;RF走线就短原则.例如上图2 RF线宽未按实际板厚来设计。
  适用范围:模块
  FR4双面板推荐值:
  (H=板厚,W=线宽,D=走线与敷铜间距):
  H=1.0mm, W=0.8mm, D=0.2mm
  H=1.0mm, W=1.0mm, D=0.254mm(推荐)
  H=1.2mm, W=1.0mm, D=0.2mm(推荐)
  H=1.6mm, W=1.0mm, D=0.2mm(推荐)
  个人推荐用和模组PAD宽度一样的走线和GND间距即可。
  (5)模块至天线端口的天线匹配电路布局:天线匹配器件C1.C2.L1要求与RF trace在同一路径上,不分支。
  C1.C2.L1与RF走线经过的路径在同一路径上;例如上图2(a)的C1和图2(b)的L1和L2在RF走线的分支上,空间允许的情况下不建议采用此设计
  适用范围:模块
  (6)采用芯片设计中,注意事项如下:
  感性器件应防止互感,多个电感放置时需注意放置方向及空间距离,避免电感线圈同向(即电感间最好垂直放置,或平行放置时保持一定的间距)
  差分线:走平行线,两条平行线外侧加打了过孔的地线
  TX/RX走线间需保留一定的空间,且布打了过孔的地线
  正确设计参看图1(b)
  适用范围:芯片级设计
  (7)过孔:在RF trace周围的敷铜,需在靠近RF走线附近打上不规则GND过孔
  图1 RF两侧附近都有不规则过孔,且都有GND敷铜,但是图2 过孔远离RF走线甚至周围没有过孔,且数量太少,不合理。
  适用范围:模块及芯片级设计
  (8)过孔位置:模块与底板上的天线匹配电路不在同一层时需用到过孔,过孔应位于模块的RF焊盘最外侧,不建议位于焊盘中心
  图1(a)过孔位于两走线层的首尾
  图2(a)过孔位于焊盘中心,相当于此处的RF线多了一小段分支
  适用范围:模块及芯片级设计
  (9)RF走线上的过孔:尽量不用过孔,如需用到,则孔径不宜太大,孔径不大于走线宽度,建议过孔设置如右图所示
适用范围:模块及芯片级设计

  (10)敷铜:RF走线下必须有GND敷铜;用实心敷铜,不建议网格状的敷铜方式
  图2(a)RF走线下无GND敷铜,且敷铜方式为网格状; 图3(b)RF走线下及周围无GND敷铜,这都不合理。
  适用范围:模块及芯片级设计
  (11)天线净空区及GND的敷铜方式:任何天线均需严格;需要遵守规则(2)中的要求
  陶瓷天线需查看该天线数据手册上对此有无特殊要求,若有,需严格按手册要求来设计PCB;
  弹簧天线,需严格遵守规则(2)中的要求
  PCB天线:围绕PCB板外围走线作为天线的情况下, 考虑到常规用的FR4双面板厚度是1.0~1.6mm间,则要求天线走线宽度为1.0mm,靠近PCB板内侧要求留有一定的距 离,天线区域背面不可有GND敷铜,参考示意图3
  PCB天线参考设计
  二、案例分析

  案例分析1
  问题:
  1、线宽、线间距不符合;
  2、RF周围敷铜不完整;
  3、RF走线周围无GND的过孔;
  4、器件位置不合理;
  5、RF周围的敷铜存在过小面积,容易产生天线效应
合理设计:正反面

  案例分析2
  问题:         
  1、敷铜间距不合理;
  2、器件位置不合理;
  3、RF走线不可从模块底部引出,需要从模块外面引出;
  4、反面无GND的敷铜。
合理设计

  案例分析3
  问题:
  1、过孔分布位置不合理;
  2、RF电路上方有小面积的GND敷铜未增加过孔,容易产生天线效应;
  3、采用弹簧天线,空间允许的情况下最好将天线周围的GND远离天线。
合理设计:

  案例分析4
  PCB如下
  (1)如下图C19位置尽量不要放天线走线后边
  (2)天线走线路径和3个派型网络季器件请用GND过孔密布包裹一下
  (3)模块走线尽量不要走模块下方,尽量从外边走线。
  (4)模块周围和走线周围尽量密布GND过孔包围
  (5)尽量避免取消如下图这种细长的GND覆铜,防止出现天线效应。
  (6)信号线走线不用太宽或者太细,可以参考用模块天线口的PAD的宽度

  四、PCB布板注意事项

  1、是否有留派型网络

  在和客户的交流中一定会遇到客户觉得不用留派型网络的,认为没有用,特别是有的使用胶棒天线,吸盘天线等标准天线的客户。
  派型网络是我们给客户匹配天线的最后一道防线。当遇到客户使用胶棒天线,PCB上没留派型网络,但是客户选用的胶棒天线在客户选用的频点上适配性不好时,如果给客户提供胶棒天线的厂家可以给客户重新匹配胶棒天线的话问题不大,但是如果遇到给客户提供胶棒天线的厂家无法重新匹配定制胶棒天线呢?所以这个派型网络还请加上去,3个0402的器件封装真的占不了多大的地方,这个网络放在板子上可能用不到,但是真道了最后需要用确没加的话怎么办?那不时还要再改PCB再打板子再焊接嘛。

  所以这个派型网络能加的一定要加上。

  2、检查派型网络三个器件

  派型网络三个器件的摆放位置一定放再模块的天线PAD口和真实的天线安装点的中间,这3个器件需要GND全包裹上并且用GND过孔尽量密集的包围起来 。还有包围这3个器件的GND覆铜用实心填充。合理的布局如下图
  不合理的布局举例入下图:3个器件中C1没放在模块天线PAD口和天线真实安装位置之间,覆铜没用实心GND覆铜,3个器件没用GND过孔尽量密集包围。
  不合理的布局举例入下图:覆铜没用实心GND覆铜,覆铜没把3个器件全包围起来,3个器件没用GND过孔尽量密集包围。

  3、检查模块天线PAD口和天线真实安装位置之间的走线

  模块天线PAD口和天线真实安装位置之间的走线需要做50欧姆匹配,实际即使算了50欧姆匹配最后做出来的实际效果也未必是50欧姆匹配的,比较简单的方法就是模块的天线口的PAD是多宽这段信号线再客户板子上就也走多宽即可。模块天线PAD口和天线真实安装位置之间的走线全用实心覆铜包裹起来,并且用GND过孔尽量密集的包围起来。这段信号线走的长度尽量短,尽量减少折线次数,折线转角尽量圆润,宽度不要太细。天线PAD口和天线真实安装位置之间的走线不要穿层,走线都走在RF封装的放置的相同一面。

  合理的布局如下图:
  不合理的布局举例入下图:模块天线PAD口和天线真实安装位置之间的走线没用实心覆铜包裹起来,也没用GND过孔尽量密集的包围起来,宽度比较细。

  4、检查GND覆铜的形状

  ND覆铜的形状上不要有如下图这种长条的形状。目的是尽量防止出现天线效应。

  5、检查天线和模组实际位置

  天线和模组的实际安装好的位置,周围应尽量开阔,远离线圈、大体型电容、大体型电感、电池和大面积金属。

  6、模组走线尽量不要从模块下方走线,尽量从模块外部走线,或者说尽量少从模块下方走线。

  比如如下这中不合理的情况

  五、QB20模组外接无源晶振注意事项

  1、QB20模组如果使用无源晶振,需要考虑热传导对晶振的影响。如下图,晶振和外加负载电容周围需要挖铜,减小热量从GND覆铜传导给晶振。
  2、QB20模组使用外部晶振的负载电容可以酌情不加,模组支持软件配置外部晶振的负载电容值。如果出现频偏影响可以软件校准并把校准值记录在MCU内。

  3、QB20模组底部可以做个开窗,散热用,加过孔接到背面GND增强散热。
  结论

  模组PCB设计主要考虑的是减少射频信号在板子上走线的衰减,使尽量多的信号从天线辐射出去;减少板子内部的干扰项,注意电源线的设计合理性。

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