嵌入式系統高頻PCB設計技巧

當今的高速嵌入式系統結合了各種功能、組件、數字接口，當然還有無線/射頻信號。 如果您想要設計具有任何計算能力的嵌入式系統，并且還包括模擬前端，您將面臨多種混合信號設計挑戰。 無論是 1 GHz 以下的簡單無線電連接、Wifi/BLE 還是千兆位以太網，嵌入式系統都需要某種方式與外界交互，而這種方式不依賴于純數字信號。 這適用于背板、單板計算機、物聯網產品和其他系統。

使用當今嵌入式系統中使用的高頻信號，電路板設計人員有責任在設計過程的早期解決這些問題。 高頻PCB的成功設計可以概括為三個方面：

1. 堆棧設計和接地；

2. 元件放置；

3. 接線和阻抗控制。

聽起來很明顯，這是我們在本博客的許多文章中介紹的基本設計技術。 不過，這里應該強調這幾點，因為具有一些數字功能的高頻PCB，尤其是現代嵌入式系統，必須依靠這三個方面的成功來確保系統按設計運行。 為了幫助您開始下一個PCB的布局和布局，讓我們從嵌入式系統的高頻設計來看看每個區域。

高頻 PCB 的設計挑戰

正如我將簡要討論的那樣，高頻 PCB 和數字系統所涉及的設計挑戰都集中在信號完整性上，在某種程度上也集中在電源完整性上。 我們這里考慮的 PCB 類型是用于嵌入式系統的板，其中還將包括一些 RF 功能。 RF部分可以通過WiFi或BLE等標準無線協議來實現，而數字部分幾乎可以與MCU、MPU或FPGA接口。

隔離高頻信號

也許這些系統中最重要的設計考慮因素是數字和模擬信號的隔離。 如果系統有模擬部分、天饋線等，需要將模擬部分與數字部分隔離，因為串擾會干擾模擬信號。 這是最好使用波導布線的原因之一，因為它提供了自然隔離，我將在下面更詳細地解釋。

如果您能成功完成此部分，您將更接近于在模擬部分制作具有更高 EMI 抗擾度的模擬部分。 正如我將在下面討論的，最好在堆疊階段（設計的開始）而不是在布線階段（設計的結束）開始考慮這一點。 首先，嵌入式系統的布局設計應考慮一些特點。

嵌入式技術有何不同？

嵌入式系統與許多其他采用高頻PCB的數字系統的區別在于高速數字接口的使用。 盡管高速計算接口使用差分對進行數據傳輸，但仍然有可能在數字和模擬部分之間引起共模噪聲（串擾）。 此外，具有更快上升時間的信號會將其信號功率集中到更高的頻率，因此它們更有可能在單端射頻互連上顯示為噪聲。

由于您基本上處理的是高速小型計算機，因此您還需要考慮電源完整性，尤其是地彈/軌道彈。 兩種效果基本相同，但表現方式不同。

正確的 PCB 堆棧可以解決大多數電源和信號完整性問題。 堆疊還會影響溶解度、分布性、阻抗控制、EMI/EMC、熱控制和隔離。 如果您正在設計具有高速數字接口和模擬部件的嵌入式系統，則可以使用該堆棧開始考慮您的設計。

如果您使用純模擬或混合信號設備，則在堆疊和接地計劃中需要考慮許多重要事項。 然而，您還必須將高速/高頻元件放置在電路板上，因此在開始布線之前自然要檢查元件的放置情況。

組件放置在頂部參考平面上方

首先，您應該將接地層分為數字部分和模擬部分，但保持兩個部分物理連接，以提供一致的低電抗接地路徑。 如果您使用多個頻率的射頻信號，請考慮切割第三個模擬信號以用于這些信號和組件。 如果按照上述說明堆疊地和電源，則電源部分已經做了同樣的處理，理想情況下，可以防止 PDN 中高傳輸阻抗引起的多端口激勵。

將數字部分和 RF 部分在接地層上方分開，并遵循返回路徑，以確保信號在 PCB 布局中隔離。

用于隔離布線的高頻 PCB

下一個要考慮的問題是如何在組件之間布線。 但是，您可能還需要一些策略來隔離不同的電路板部件和互連，以防止干擾。 一些策略包括：

表層的共面波導布線，特別是元件之間的走線，到饋線或到同軸連接器。

如果您有足夠的層，請考慮留一層用于功能區布線。 請注意這一點，因為過孔可能會導致超高頻（毫米波）出現問題。

由于會產生兩個不同相的輻射源，因此在射頻功率層周圍放置接地通孔圍欄可以提供良好的抑制效果。

考慮使用帶隙結構來提供隔離，因為它們可以直接印刷到高頻 PCB 上。

如何設計互連以確保一致的阻抗匹配并不像如何接線以防止干擾那么重要。 也許這里最重要的一點是跟蹤返回路徑并使射頻互連遠離數字部分。 只要射頻互連附近沒有大的返回電流，就可以減少對串擾的擔憂。 然而，在原型設計之前，仍然有很多點需要評估，現場求解器可以幫助發現這些問題。

在使用現場解算器進行原型設計之前評估您的電路板

只要您能夠消除原型運行并發現超高頻信號/電源完整性問題，您就可以節省時間和金錢。 正確的場求解器可以幫助您完成 PCB 布局并計算確保 RF 產品按設計工作所需的重要信號完整性指標。 在高頻 PCB 中，需要檢查的一些重要點是網絡參數、輻射 EMI 以及不同電路板部件之間的干擾。 如果將天線直接放置在板上，還需要檢查輻射方向圖和輻射功率。 PCB加工及PCB組裝廠家講解嵌入式系統中高頻PCB的設計技巧。