射频电路抗干扰设计方法研究﹡

代宪菊

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

电磁干扰现象是伴随着电磁现象的应用而发展的。随着无线通信技术的迅猛发展，电子设备的广泛使用，电磁噪声和电磁干扰现象越来越突出，电子设备无法正常工作，甚至被损毁。因而，由电磁干扰问题带来的电子设备防干扰技术应运而生，并逐渐发展为一门新兴学科，主要研究抑制和消除电磁干扰，提高电子设备抗干扰能力，保证电子设备在复杂电磁环境中正常工作。

1 射频电路电磁干扰

电磁干扰源、干扰传播途径和敏感设备称为电磁干扰三要素[1]。图1为电磁干扰三要素示意图。

图1 电磁干扰三要素示意

由图1可见，若要改变“三要素”的变量关系，使之不能形成电磁干扰，需要从削弱干扰源，抑制干扰传播途径，降低感受器的敏感度三方面入手。

射频电路板包含发射电路区、接收电路区、频率源电路。发射电路区有高功率、大信号的放大器作为强辐射的干扰源，接收电路区有敏感的、小信号的LNA成为高敏感度的感受器。潜在的电磁干扰源和潜在的电磁敏感器件处在同一空间内，只要通过电磁干扰的传播途径就会产生电磁干扰。射频电路板上元器件通过电磁场空间辐射方式传输能量并耦合到印制板导线中，造成信号失真、性能指标达不到，严重者电路工作不正常，因而必须从元器件布局、RF走线、屏蔽设计和接地设计等方面采取综合措施，才能有效抑制电磁干扰。

2 RF布局设计

元器件布局按照物理分区和电气分区的原则进行设计。

2.1 物理分区

物理分区主要涉及元器件布局、元器件朝向及金属屏蔽[2]。在有限的 PCB空间内，通过物理空间的分离尽量将干扰源和感受器远离。

元器件布局是RF电路设计是否成功的关键。通常，最有效的方法是首先固定位于RF路径上的元器件，并调整元器件朝向以保证RF路径长度最短，使芯片输入端口远离输出端口，并尽可能地分离大信号高功率区和小信号低功率区[2]。

高功率RF放大器（HPA）和低噪声放大器（LAN）要隔离开,并确保PCB上靠近大信号、高功率区域有完整的地平面，最好没有过孔。处理方式可以采用空间分离和时间分割：

1）空间分离。将低噪声放大器（LNA）放在PCB板的一面，高功率放大器（HPA）放于PCB板的另一面，通过打盲孔或通孔方式（通孔尺寸要求减至最小，以减小路径电感和RF能量泄露），将其连接到同一面的RF端和发射天线端口处。

2）时间分割。通过控制电路让发射电路和接收电路分时交替工作，避免电磁干扰。

双工器、混频器、中频放大器/混频器等带有多个RF/IF信号的电路，元器件摆放应保证RF与IF走线为十字交叉状，并在RF与IF走线间保留一块地区域。

多个电感应互相垂直排列，或者保持多个电感之间的距离至少为其中一个器件高度，以减少互感。因为并行电感容易形成一个空芯变压器而相互感应产生干扰信号。

压控振荡器（VCO）布置在RF区域末端，必要时还需要一个金属屏蔽罩。因为VCO控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化，此时会增加RF信号噪声，而且很难在后级电路中滤掉。此外，VCO的RF输出也是较高电平，易干扰其它电路。

电源去耦电路在射频电路板上是必不可少的。集成了线性线路的RF芯片对电源噪声特别敏感，需要去耦电容和隔离电感来滤除电源噪声。原则上是对芯片的每个电源端都必须进行电源去耦处理。典型去耦电路配置和布局如图2所示。

图2 典型的芯片电源滤波电路

在 PCB布局时，C1紧靠芯片电源端并接地，C2、C3、C4依次并列紧靠 C1放置。电容 C1与芯片引脚走线要尽可能短，电容C1、C2、C3、C4的接地端需要打过孔到下一地层与芯片的接地引脚相连。电感L1应靠近电容C4。

2.2 电气分区

进行物理分区的同时，也规划了电气分区。电气分区继续分解为电源分配、RF走线、敏感电路和信号以及接地等分区[2]。

接入到印制板的电源，必须先进行电源去耦处理以滤除的噪声，之后，再经过稳压器或开关进行电源分配。电源线尽可能走粗线[3]。高功率放大器电源单独走一条尽可能宽的大电流线，以减少电源传输压降。

放大器、缓冲器、滤波器的RF输出端远离RF输入端。否则，放大器和缓冲器有可能工作不稳定，甚至会自激振荡，滤波器带通特性则可能会受到严重损害。

选择单端或平衡 RF信号走线以减少噪声和交叉干扰。平衡 RF走线一般阻抗较高，需要较宽的走线以得到一个匹配信号源、走线和负载的阻抗。

3 RF布线设计

合理的分区布局之后，开始布线设计。布线设计必须考虑走线宽度、线间距、走线阻抗等。

RF走线要短、直、粗，并且线宽尽量保持一致，以保证阻抗匹配。RF走线尽量走表层，在拐弯处以45º为宜。RF走线要远离敏感的模拟线路和一些关键的数字信号，并且在关键信号或敏感信号周围铺设地线进行保护和屏蔽。所有的 RF走线、焊盘和元器件周围应尽可能多的铺覆地铜皮，并通过接地过孔方式与主接地面相连。

当RF走线穿过信号线时，在信号线间沿着RF走线布一层与主接地面相连的地。如果无法做到，则要保证信号线与 RF走线是十字交叉状，将信号间的容性耦合减到最小，同时要在每根 RF走线周围多覆地铜皮，并通过打孔方式与主接地面相连。

4 屏蔽设计

屏蔽设计是为了满足射频电路间的隔离度、抑制高频电磁场干扰的常用方法之一。屏蔽的目的就是切断场的耦合[4]。

4.1 屏蔽电路单元划分

屏蔽单元划分应根据电路功能单元，综合考虑各个电路和元器件特性、工作状态以及对干扰的敏感程度等因素。一般而言，可参照下面原则进行屏蔽电路单元划分。

1）功能电路单元是屏蔽单元划分的基础。不同功能的电路单元通常会因相互间的杂散耦合形成干扰，如振荡器电路、混频器电路、放大器电路等都应屏蔽。工作频率越高的电路单元，越要进行屏蔽设计。对不同频率的同性质电路，如滤波器电路，在安装时很靠近，也应分别屏蔽。

2）不同电平的电路应分别屏蔽。当不同电平的电路靠近时，高电平电路通常是干扰源，低电平电路是感受器。一般屏蔽干扰源，即高电平电路，这样可以使多个低电平电路免受干扰。对高电平、大功率电路进行屏蔽时，应采用较大体积的屏蔽罩。

3）对于有辐射场的电路和敏感电路进行屏蔽。具有辐射场的电路和传输线（如振荡器、混频器、高频传输线等）作为干扰源，应予以屏蔽。低频铁芯器件（如变压器）具有漏磁场，也需要进行屏蔽。对于易受干扰的敏感电路，如放大器电路，也应屏蔽。对增益较大的多级放大器电路，级与级之间也需要屏蔽。

4）根据电路特性和性能要求决定是否需要进行屏蔽。不同的电路对外界干扰的敏感度不同，如放大器敏感度很高，外界较小的干扰信号就会造成放大器输出信号失真，而整流电路对外界干扰的敏感度较小，不易受到干扰，故应对易受干扰的电路进行屏蔽。

4.2 屏蔽电路屏蔽结构设计

通常，屏蔽结构分为四类：屏蔽格、屏蔽盒、双层屏蔽、敷铜箔绝缘板屏蔽结构。屏蔽格是用金属板将底板隔成若干个空间，每一个空间称为一个屏蔽格。将需要屏蔽的电路分别安装在每个屏蔽格内，然后用盖板将屏蔽格盖住，达到电路屏蔽的目的。一般用于一个部件内各电路直接的屏蔽。屏蔽盒（罩）是对电路单独屏蔽，其屏蔽效果比屏蔽格好。屏蔽盒以焊接结构最好，其次为铆接结构。当屏蔽要求很高时，可采用双层屏蔽结构。当干扰波的频率在1 MHz在以上时，用敷铜箔绝缘板制作的屏蔽盒，具有较好的屏蔽效果。这几种屏蔽结构的选择可根据屏蔽要求，并综合考虑结构要素和成本价格，灵活选用。

4.3 屏蔽电路布线原则

穿越金属屏蔽罩的走线，需要注意以下两条原则：①进入金属屏蔽罩的数字信号线走内层，且信号层的下层最好为接地层；②RF信号线通过金属屏蔽罩的小缺口或者从缺口处的布线层走出去，在缺口周围要尽可能多布地，不同层上的地通过打过孔连接。

5 接地设计

接地设计是 RF电路板抑制电磁噪声、控制电磁干扰设计的重要环节，其目的是使接地阻抗最小，提供最小阻抗信号回流路径。

5.1 电路的接地设计

RF电路板上有三类信号接地系统：①敏感信号和小信号“地”，包括低电平电路、小信号检测电路、前级放大器电路和混频器等。这类电路的特点是工作电平低、信号幅度小，容易失效或降级；②不敏感信号和大信号电路的地线系统，包括高电平电路、末级放大器和高功率放大器电路等。这类电路的工作电流大，地电流也大，必须和小信号地线系统分开；③干扰源地系统，如继电器。这类元件在工作时有冲击电流，会对电子电路产生严重干扰。

因此 RF电路板宜采用多点串联接地，对各个地线系统分开敷设地线，并且要远离高频系统。地线应短、直、粗，且高频元器件周围应尽量布置大面积接地铜箔。

高频电路板中各单元电路要按先后次序排列，并且接地线要直线布置，即“直尺结构”，如图3所示。避免地电流重叠，造成地电流流动与各单元电路之间寄生耦合。

图3 地线的直尺结构与非直尺结构

由多级放大电路组成的高增益放大器，在低频单元电路应单点接地，并且各单元电路中的地电流必须是从小信号单元流向大信号单元。

从减小辐射干扰的角度出发，应尽量选用多层板[5]。一般选择表层之下（表层为RF走线层）的第二层为接地层，且必须是整块实心接地，这样隔离效果最好。如果是双面板无地线层时，则接地线的宽度至少应为1.5 mm以上。PCB各层上避免生成游离地。对于表层的隔离地块，通过适当调整走线后，打地过孔将其与主地层相连。对于覆铜区域比较尖锐的地方，直接去掉。

5.2 金属屏蔽罩的接地设计

金属屏蔽罩的接地设计需要特别关注。接地设计不当，不但会严重影响屏蔽效能，而且有可能使电路工作不正常。

对单层金属屏蔽罩接地点应选择在信号输出端接地端与地线一点直接相连，连接方式如图4所示。这种接地方式不但可以消除输出端对输入端的干扰，而且可以避免地环路产生的磁场干扰。

图4 单层金属屏蔽罩正确接地方式

双层屏蔽罩接地位置的选择应仔细考虑对地电流的影响。正确的接法是：内屏蔽罩与信号电路输出端相连。两屏蔽罩间的连接以及外屏蔽罩的接地都在信号电路的输出端，回流电流路径缩短，地回路面积减小，屏蔽效能最好，如图5所示。

图5 双层屏蔽罩正确接地方式

6 结语

射频电路抗干扰设计是提高无线通信设备抗干扰能力的重要环节[6]。射频电路板作为无线通信电子设备中不可或缺的重要组成部分，其抗电磁干扰能力是决定电子设备能否可靠工作的关键。为了达到减小射频电路电磁辐射，切断电磁耦合途径的目的，其在射频电路板设计中引入抗干扰的设计方法，比在电路设计中引入抗干扰设计更为有效和可靠。

[1] 周旭.电子设备防干扰原理与技术[M].北京：国防工业出版社,2005：50-197.

[2] 杨承恩,林永生,杜佳璐.RF无线射频电路设计中的常见问题及设计原则[J].国外电子元器件,2006(04)：70.

[3] 海涛.印制板设计的电磁抑制技术[J].通信技术,2002(02)：99.

[4] 毛楠,孙瑛.电子电路抗干扰实用技术[M].北京：国防工业出版社,1996：189.

[5] 杜宇.军用电子产品中EMC的实用性设计[J].通信技术,1999(03)：74.

[6] 王伟峰,夏立诚,王文骐.高速宽带应用的毫米波CMOS集成电路[J].信息安全与通信保密,2007(06)：70-72.