摘 要：利用電磁兼容設(shè)計(jì)方法通過對(duì)特性阻抗、微孔、布局布線、電源模塊、接地等技術(shù)的研究，進(jìn)行了GPS上變頻器的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明，其輸出信號(hào)抗噪聲能力比沒有經(jīng)過電磁兼容設(shè)計(jì)產(chǎn)品高15 dB，從而使產(chǎn)品更具有可靠性。
關(guān)鍵詞：電磁兼容；上變頻器；特性阻抗
GPS上的變頻器完成GPS基帶信號(hào)到載波信號(hào)之間的變頻，是連接基波信號(hào)和載波信號(hào)之間的橋梁。其抗干擾能力及變頻質(zhì)量的好壞直接影響到終端的性能。采用傳統(tǒng)方法已經(jīng)不適應(yīng)于高頻設(shè)計(jì)，基于此本文利用電磁兼容設(shè)計(jì)方法對(duì)GPS上變頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)，以改善它的性能，提高抗干擾能力。
1 上變頻器EMC設(shè)計(jì)
上變頻部分由前端放大器、頻率合成器、本地振蕩器、濾波器及功放電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其特點(diǎn)是芯片集成度高、體積小、電路的布局布線密度大、多種信號(hào)共存、易受干擾等。對(duì)于高頻部分不能采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，需仔細(xì)分析電路的特性，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)先仿真后布線，對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行電磁兼容性研究。文章對(duì)主要上變頻部分的特性阻抗、微孔、電源模塊、接地等進(jìn)行電磁兼容（EMC）性設(shè)計(jì)。
1.1 特性阻抗匹配
在設(shè)計(jì)PCB射頻板之前，要選好板材、匹配特性阻抗、關(guān)鍵信號(hào)的線寬仿真計(jì)算、各個(gè)信號(hào)層的設(shè)置等。
首先確定層數(shù)及各層順序。本設(shè)計(jì)采用四層板，如圖2所示，由上至下依次為信號(hào)層、地層、電源控制線層和地層。而常規(guī)四層板設(shè)計(jì)方法為：由上至下依次是信號(hào)層、地層、電源層、信號(hào)層。但本設(shè)計(jì)采用不同于常規(guī)的方案，主要考慮到電磁兼容性問題。因?yàn)檫@樣把電源和控制線放在兩地層中間，無形中兩個(gè)地層就對(duì)它們進(jìn)行了屏蔽，減少了電磁波對(duì)射頻傳輸線的串?dāng)_影響；再者，為射頻信號(hào)提供完整的地層，這樣在趨膚效應(yīng)作用下，降低了地層的阻抗。
其次確定介電常數(shù)。信號(hào)在高速傳輸中，導(dǎo)線表面附近的電流密度加大，而中心部分的電流密度減少，趨膚效應(yīng)使得高頻信號(hào)衰減增大[1]，即信號(hào)沿著導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，使得阻抗提高。如果按照傳統(tǒng)的方法，不對(duì)信號(hào)進(jìn)行特性阻抗匹配，就可能會(huì)引起信號(hào)遇到終端而反射回來疊加到原始信號(hào)電平上，或從原始信號(hào)電平中扣除，最終甚至無法使系統(tǒng)正常運(yùn)行和工作[2]。匹配傳輸線的使用可以使得數(shù)字和模擬信號(hào)在很長(zhǎng)距離上互連接，而不致于它們波形嚴(yán)重失真，不會(huì)閉合它們的眼孔（圖形）而造成嚴(yán)重的發(fā)射問題或者形成很差的抗擾度[2]。很多RF芯片的輸入輸出阻抗，以及射頻通信電纜的特性阻抗值都是50 Ω，基于此，需要把射頻板射頻傳輸線特性阻抗盡量接近50 Ω，以符合標(biāo)準(zhǔn)通信的要求。在傳輸線理論中，表面微帶線IPC計(jì)算公式如下：
本設(shè)計(jì)中，首先選擇射頻板材RF-35，其介電常數(shù)εr在1.9 GHz下為3.5±0.035?？紤]到性價(jià)比，設(shè)計(jì)走線銅箔厚度為t=1.35 mm，層間板材高度h=10mm，走線寬度w=20 mm，經(jīng)計(jì)算得到特性阻抗Z0=50 Ω，符合射頻特性阻抗的要求。
1.2 微孔的設(shè)計(jì)
通常微孔可分為3類，即盲孔、埋孔和通孔。盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度通過不超過一定的比率（孔徑）。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會(huì)延伸到線路的表面。上述兩類孔，在線路印制過程中比通孔昂貴，本設(shè)計(jì)采用通孔（孔穿過整個(gè)線路板）技術(shù)，連接不同層的線路，通孔直徑為12 mm。通孔焊盤直徑為25 mm，地平面絕緣孔直徑為35 mm，印刷板厚度為35.4 mm。每個(gè)過孔都有對(duì)地的寄生電容。過孔的物理結(jié)構(gòu)很小，就像電路連接一個(gè)元件，其寄生電容參考值[3]為：
式中，D2為地平面的絕緣孔直徑，D1為通孔周圍的焊盤直徑，T為印刷電路板的厚度，C為通孔的寄生電容。
通過式(2)可求得該設(shè)計(jì)的通孔寄生電容為0.43pf，對(duì)10 MHz時(shí)鐘信號(hào)上升沿,利用HyperLynx進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示，較平穩(wěn)曲線為源端的信號(hào)曲線，另一曲線為接收端的信號(hào)曲線，其中接收端的最大過沖電壓為128.6 mV, 過沖比率為:
影響很小，可用于時(shí)鐘過孔走線。
1.3 布局布線設(shè)計(jì)
在同一個(gè)屏蔽腔內(nèi)布局時(shí)，如果空間允許盡量采用“一”字形布局；如果空間確實(shí)受到限制，在同一個(gè)屏蔽腔內(nèi)不能采用“一”字布局，要采用“L”形布局[4-5]。
頻率合成器中的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線、使能線在射頻PCB中，是關(guān)鍵信號(hào)線，走線除了應(yīng)該遵守?cái)?shù)字PCB設(shè)計(jì)規(guī)則外，還要注意以下幾點(diǎn)：
(1)增加隔離措施，保證數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、使能線上沒有其他信號(hào)存在。從屏蔽腔外部接到PCB的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、時(shí)能線，要經(jīng)過安裝在屏蔽上的穿心電容。另一種簡(jiǎn)單的方法是在數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、時(shí)能線上加RC低通濾波器，R、C的選值需保證正確的時(shí)鐘時(shí)序，防止時(shí)鐘的過沖。
(2)數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、使能線不能在數(shù)字頻率合成器芯片、晶體、晶體振蕩器、變壓器、光耦、電源模塊等器件底部表面層走線。
(3)數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、使能線避免與同一層或相鄰的模擬信號(hào)線交叉走線。
(4)對(duì)高頻走線盡量走弧線，使阻抗均勻。
(5)射頻信號(hào)走線采用3W原則。
1.4 接地
關(guān)于接地在前面已經(jīng)說明一些，這里再需要補(bǔ)充的還有：
(1)在工藝允許的前提下，縮短焊盤邊緣與過孔邊緣的距離；
(2)在工藝允許的前提下，接地大焊盤必須直接蓋在至少6個(gè)接地過孔上；
(3)接地線需要走一定的距離時(shí)，應(yīng)縮短接地線長(zhǎng)度，不能超過λ/20，以防止天線效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)輻射；
(4)除特殊用途外，不得有孤立銅皮，銅皮上一定要加地線過孔。
1.5 電源模塊設(shè)計(jì)
電源在電路中的作用如同心臟在人體中的作用一樣，關(guān)系到整個(gè)電路的“命脈”，所以電源設(shè)計(jì)部分是關(guān)鍵。典型電源設(shè)計(jì)都是在電源芯片電源端并接兩個(gè)電容，一個(gè)是容量較大的極性電解電容，另一個(gè)是較小的陶瓷電容，分別承擔(dān)著低頻、高頻交流成分濾波的任務(wù)。但是在射頻電路中這樣是不夠的，需要在把數(shù)字地和模擬地，模擬電源和數(shù)字電源分開，中間用磁珠連接。電源模塊原理如圖4所示。
中間連接EMI加磁珠，用于抑制信號(hào)線、電源線上的噪聲和尖峰干擾，它同時(shí)具有吸收靜電脈沖能力，這種濾波器只允許直流或低頻信號(hào)通過，而對(duì)較高頻率干擾信號(hào)則有很大的衰減，使電子設(shè)備達(dá)到電磁兼容和靜電釋放的功能。圖4電源模塊原理圖采用3個(gè)電容并聯(lián)，這3個(gè)電容的容量相差100倍。利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)分別濾除電源線上的低、中、高頻。該模塊信號(hào)頻率高于1 GHz時(shí)，還要增加10pF濾波電容[6]。
在PCB印制板中，把電源的模擬部分和數(shù)字部分用分割形式完全隔開，其原理如圖5所示。
在本設(shè)計(jì)中，為區(qū)別與傳統(tǒng)的總線方法，采用位面，電流不受線路控制，分布在整個(gè)層上。由于整體阻抗小，電源位面系統(tǒng)比總線系統(tǒng)的噪聲更小。
2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
對(duì)輸入為2.2 dB正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試比較，R&S FSP30頻譜儀測(cè)得結(jié)果如圖6所示。
其中中間峰值Mark1為本振信號(hào)，Mark2為上變頻信號(hào)，Mark3為上變頻鏡像信號(hào)。通過圖中比較可以看出上變頻信號(hào)比本振信號(hào)高15.71dB，比其他最大諧波信號(hào)高17 dB。
沒有經(jīng)過電磁兼容設(shè)計(jì)，測(cè)得的頻譜如圖7所示。
上變頻信號(hào)比本振信號(hào)強(qiáng)3 dB，比其他最大諧波信號(hào)高3.2 dB。
通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采用電磁兼容設(shè)計(jì)方法，輸出信號(hào)比本振信號(hào)高出15.71 dB，與沒有經(jīng)過電磁兼容設(shè)計(jì)的PCB板相比，抗噪聲能力超過12 dB，使系統(tǒng)更加可靠。為此，對(duì)GPS上變頻采用電磁兼容方法設(shè)計(jì)具有重要的意義。
參考文獻(xiàn)
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