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單片射頻器件大大方便了一定范圍內無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的應用，采用合適的微控制器和天線(xiàn)并結合此收發(fā)器件即可構成完整的無(wú)線(xiàn)通信鏈路。它們可以集成在一塊很小的電路板上，應用于無(wú)線(xiàn)數字音頻、數字視頻數據傳輸系統，無(wú)線(xiàn)遙控和遙測系統，無(wú)線(xiàn)數據采集系統，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以及無(wú)線(xiàn)安全防范系統等眾多領(lǐng)域。 數字電路與模擬電路的潛在矛盾 如果模擬電路(射頻) 和數字電路(微控制器) 單獨工作可能各自工作良好，但是一旦將兩者放在同一塊電路板上，使用同一個(gè)電源供電一起工作，整個(gè)系統很可能就會(huì )不穩定。這主要是因為數字信號頻繁的在地和正電源(大小3 V) 之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是ns 級的。由于較大的振幅和較小的切換時(shí)間，使得這些數字信號包含大量的且獨立于切換頻率的高頻成分。而在模擬部分，從天線(xiàn)調諧回路傳到無(wú)線(xiàn)設備接收部分的信號一般小于1μV。因此數字信號與射頻信號之間的差別將達到10-6(120 dB) 。顯然，如果數字信號與射頻信號不能很好的分離，微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來(lái)，無(wú)線(xiàn)設備工作性能就會(huì )惡化，甚至完全不能工作。 RF 電路和數字電路做在同塊PCB 上的常見(jiàn)問(wèn)題 不能充分的隔離敏感線(xiàn)路和噪聲信號線(xiàn)是常常出現的問(wèn)題。如上所述，數字信號具有高的擺幅并包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數字信號布線(xiàn)鄰近敏感的模擬信號，高頻諧波可能會(huì )耦合過(guò)去。RF 器件的最敏感節點(diǎn)通常為鎖相環(huán)( PLL) 的環(huán)路濾波電路，外接的壓控振蕩器(VCO) 電感，晶振基準信號和天線(xiàn)端子，電路的這些部分應該特別仔細處理。 (1) 供電電源噪聲 由于輸入/ 輸出信號有幾V 的擺幅，數字電路對于電源噪聲(小于50 mV) 一般可以接受。而模擬電路對于電源噪聲卻相當敏感，尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。因此，在包含RF(或其他模擬) 電路的PCB 板上的電源線(xiàn)布線(xiàn)必須比在普通數字電路板上布線(xiàn)更加仔細，應避免采用自動(dòng)布線(xiàn)。同時(shí)也應注意到，微控制器(或其他數字電路) 會(huì )在每個(gè)內部時(shí)鐘周期內短時(shí)間突然吸入大部分電流，這是由于現代微控制器都采用CMOS 工藝設計。因此，假設一個(gè)微控制器以1 MHz 的內部時(shí)鐘頻率運行，它將以此頻率從電源提取(脈沖) 電流，如果不采取合適的電源去耦，必將引起電源線(xiàn)上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達電路RF 部分的電源引腳，嚴重的可能導致工作失效，因此必須保證將模擬電源線(xiàn)與數字電路區域隔開(kāi)。 (2) 不合理的地線(xiàn) RF 電路板應該總是布有與電源負極相連的地線(xiàn)層，如果處理不當，可能產(chǎn)生一些奇怪的現象。對于一個(gè)數字電路設計者來(lái)說(shuō)這也許難于理解，因為即使沒(méi)有地線(xiàn)層，大多數數字電路功能也表現良好。而在RF 頻段，即使一根很短的線(xiàn)也會(huì )如電感一樣作用。粗略計算，每mm 長(cháng)度的電感量約為1 nH ， 434 MHz 時(shí)10 mmPCB 線(xiàn)路的感抗約為27 Ω。如果不采用地線(xiàn)層，大多數地線(xiàn)將會(huì )較長(cháng)，電路將無(wú)法保證設計特性。 (3) 天線(xiàn)對其他模擬部分的輻射 在包含射頻和其他部分的電路中，這一點(diǎn)經(jīng)常被忽略。除了RF 部分，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多微控制器內置模數轉換器(ADC) 用于測量模擬輸入以及電池電壓或其他參數。如果射頻發(fā)送器的天線(xiàn)位于此PCB 附近(或就在此PCB 上) ，發(fā)出的高頻信號可能會(huì )到達ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線(xiàn)路都可能如天線(xiàn)一樣發(fā)出或接收RF 信號。如果ADC 輸入端處理不合理，RF 信號可能在A(yíng)DC輸入的ESD二極管內自激，從而引起ADC 的偏差。 RF 電路和數字電路做在同塊PCB 上的解決方案 以下給出在大多數RF 應用中的一些通用設計和布線(xiàn)策略。然而，遵循實(shí)際應用中RF 器件的布線(xiàn)建議更為重要。 (1) 一個(gè)可靠的地線(xiàn)層面 當設計有RF 元件的PCB 時(shí)，應該總是采用一個(gè)可靠的地線(xiàn)層。其目的是在電路中建立一個(gè)有效的0 V 電位點(diǎn)，使所有的器件容易去耦。供電電源的0 V 端子應直接連接在此地線(xiàn)層。由于地線(xiàn)層的低阻抗，已被去耦的兩個(gè)節點(diǎn)間將不會(huì )產(chǎn)生信號耦合。對于板上多個(gè)信號幅值可能相差120 dB ，這一點(diǎn)非常重要。在表面貼裝的PCB 上，所有信號布線(xiàn)在元件安裝面的同一面，地線(xiàn)層則在其反面。理想的地線(xiàn)層應覆蓋整個(gè)PCB ( 除了天線(xiàn)PCB 下方) 。如果采用兩層以上的PCB ，地線(xiàn)層應放置在鄰近信號層的層上(如元件面的下一層) 。另一個(gè)好方法是將信號布線(xiàn)層的空余部分也用地線(xiàn)平面填充，這些地線(xiàn)平面必須通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與主地線(xiàn)層面連接。需要注意的是：由于接地點(diǎn)的存在會(huì )引起旁邊的電感特性改變，因此選擇電感值和布置電感是必須仔細考慮的。 (2) 縮短與地線(xiàn)層的連接距離 所有對地線(xiàn)層的連接必須盡量短，接地過(guò)孔應放置在(或非常接近) 元件的焊盤(pán)處。決不要讓兩個(gè)地信號共用一個(gè)接地過(guò)孔，這可能導致由于過(guò)孔連接阻抗在兩個(gè)焊盤(pán)之間產(chǎn)生串擾。 (3) RF 去耦 去耦電容應該放置在盡可能靠近引腳的位置，每個(gè)需要去耦的引腳處都應采用電容去耦。采用高品質(zhì)的陶瓷電容，介電類(lèi)型最好是“ NPO” ， “ X7R” 在大多數應用中也能較好工作。理想的選擇電容值應使其串聯(lián)諧振等于信號頻率。例如434 MHz 時(shí)，SMD 貼裝的100 p F 電容將良好工作，此頻率時(shí)，電容的容抗約為4 Ω，過(guò)孔的感抗也在同樣范圍。串聯(lián)的電容和過(guò)孔對于信號頻率形成一個(gè)陷波濾波器，使之能有效的去耦。868 MHz 時(shí)，33 p F 電容是一個(gè)理想的選擇。除了RF 去耦的小值電容，一個(gè)大值電容也應放置在電源線(xiàn)路上去耦低頻，可選擇一個(gè)2. 2 μF陶瓷或10μF 的鉭電容。 (4) 電源的星形布線(xiàn) 星形布線(xiàn)是模擬電路設計中眾所周知的技巧(如圖1所示) 。星形布線(xiàn)———電路板上各模塊具有各自的來(lái)自公共供電電源點(diǎn)的電源線(xiàn)路。在這種情況下，星形布線(xiàn)意味著(zhù)電路的數字部分和RF 部分應有各自的電源線(xiàn)路，這些電源線(xiàn)應在靠近IC 處分別去耦。這是一個(gè)隔開(kāi)來(lái)自數字部分和來(lái)自RF 部分電源噪聲的有效方法。如果將有嚴重噪聲的模塊置于同一電路板上，可以將電感(磁珠) 或小阻值電阻(10 Ω) 串聯(lián)在電源線(xiàn)和模塊之間，并且必須采用至少10 μF 的鉭電容作這些模塊的電源去耦。這樣的模塊如RS 232 驅動(dòng)器或開(kāi)關(guān)電源穩壓器。 (5) 合理安排PCB 布局 為減小來(lái)自噪聲模塊及周邊模擬部分的干擾，各電路模塊在板上的布局是重要的。應總是將敏感的模塊( RF部分和天線(xiàn)) 遠離噪聲模塊(微控制器和RS 232 驅動(dòng)器)以避免干擾。 (6) 屏蔽RF 信號對其他模擬部分的影響 如上所述，RF 信號在發(fā)送時(shí)會(huì )對其他敏感模擬電路模塊如ADC 造成干擾。大多數問(wèn)題發(fā)生在較低的工作頻段(如27 MHz) 以及高的功率輸出水平。用RF 去耦電容(100p F) 連接到地來(lái)去耦敏感點(diǎn)是一個(gè)好的設計習慣。 (7) 在板環(huán)形天線(xiàn)的特別考慮 天線(xiàn)可以整體做在PCB 上。對比傳統的鞭狀天線(xiàn)，不僅節省空間和生產(chǎn)成本，機構上也更穩固可靠。慣例中，環(huán)形天線(xiàn)(loop antenna) 設計應用于相對較窄的帶寬，這有助于抑制不需要的強信號以免干擾接收器。應注意到環(huán)形天線(xiàn)(正如所有其他天線(xiàn)) 可能收到由附近噪聲信號線(xiàn)路容性耦合的噪聲。它會(huì )干擾接收器，也可能影響發(fā)送器的調制。因此在天線(xiàn)附近一定不要布數字信號線(xiàn)路，并建議在天線(xiàn)周?chē)３肿杂煽臻g。接近天線(xiàn)的任何物體都將構成調諧網(wǎng)絡(luò )的一部分，而導致天線(xiàn)調諧偏離預想的頻點(diǎn)，使收發(fā)輻射范圍(距離) 減小。對于所有的各類(lèi)天線(xiàn)必須注意這一事實(shí)，電路板的外殼(外圍包裝) 也可能影響天線(xiàn)調諧。同時(shí)應注意去除天線(xiàn)面積處的地線(xiàn)層面，否則天線(xiàn)不能有效工作。 (8) 電路板的連接 如果用電纜將RF 電路板連接到外部數字電路，應使用雙絞線(xiàn)纜。每一根信號線(xiàn)必須和GND 線(xiàn)雙絞在一起(DIN/ GND ， DOUT/ GND ， CS/ GND ， PWR _ UP/ GND) 。切記將RF 電路板和數字應用電路板用雙絞線(xiàn)纜的GND線(xiàn)連接起來(lái)，線(xiàn)纜長(cháng)度應盡量短。給RF 電路板供電的線(xiàn)路也必須與GND 雙絞(VDD/ GND) 。 結論 迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事無(wú)線(xiàn)數字音頻、視頻數據傳輸系統，無(wú)線(xiàn)遙控、遙測系統，無(wú)線(xiàn)數據采集系統，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以及無(wú)線(xiàn)安全防范系統等設計的工程技術(shù)人員解決無(wú)線(xiàn)應用的瓶頸提供了最大的可能。同時(shí)，射頻電路的設計又要求設計者具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗和工程設計能力。本文是筆者在實(shí)際開(kāi)發(fā)中總結的經(jīng)驗，希望可以幫助眾多射頻集成電路開(kāi)發(fā)者縮短開(kāi)發(fā)周期，避免走不必要的彎路，節省人力和財力。 
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