RF与数模电路的PCB设计之魅

　　如何将RF与数模电路设计在同一PCB上？

　　手持无线通信设备和遥控设备的普及推动着对模拟、数字和RF混合设计需求的显著增长。手持设备、基站、遥控装置、蓝牙设备、计算机无线通信功能、众多消费电器以及军事/航空航天系统现需要采用RF技术。

　　数年来，RF设计需要专业设计人员使用专门的设计和分析工具来完成。典型情况下，PCB的RF部分由RF专业人员在独立环境下设计好后，再与混合技术 PCB的其余部分合并在一起的。这一过程的效率很低，而且为了与混合技术整合在一起，常常需要反复设计，还需要用到多个互不相关的数据库。

　　在过去，设计功能在两个设计环境进行和重复，并通过一个非智能的ASCII接口连接（图1（a））。两个环境中的PCB系统设计和RF专门设计系统有它们自己的库、RF设计数据库和设计存档。这就要求两个环境中的设计数据（原理图和版图）和库通过一个繁琐的ASCII接口进行管理和同步。

　　在这一旧的方法下，RF设计师孤立于PCB系统设计中的其他部分进行RF电路的开发。然后该RF电路再利用ASCII文件翻译到总体PCB设计中，从而在主PCB上创建出原理图和物理实现。如果RF电路存在问题，那么设计必须在独立的RF解决方案中修正，然后再重新翻译进主PCB。

　　RF模拟器只模拟了理想的射频电路。在实际混合系统实现中有许多零碎的地层、地过空和相邻的RF电路，这使得分析变得非常的困难，而且谁都知道这些附加的形状将会对RF电路运作产生长久的影响。

　　这一旧方法多年来已成功地用于混合信号电路板设计，但随着产品中RF电路含量的增加，两个独立设计系统带来的问题已开始影响设计师的生产力、产品上市时间和产品的质量。

　　为了解决这些问题，Mentor Graphics公司已经开发出一种动态链接技术，它可以将PCB原理图和版图工具与RF设计和模拟工具集成在一起，从而产生了一种新的解决方案，它可以克服传统的射频设计的缺点。

　　RF感知（RF aware）PCB设计

　　为保持PCB和RF设计间的设计意图，RF设计工具必须理解PCB布局中面向层（layer-oriented）的结构，而PCB系统也必须理解RF设计环境中使用的参数化平面微波元件。

　　另一个关键问题是，PCB系统将RF电路的版图构建成短路电路，这妨碍了对设计进行正确的设计规则检验（DRC）。对当今的复杂RF系统设计来说，功能上的RF感知DRC是设计方法学确保设计正确所必须的。

　　所有这些都对保持设计意图有帮助。保持设计意图非常关键，因为它是实现在工具集间设计数据的多次往返而不丢失信息的基础。

　　RF设计是个反复的过程，需要采取很多步骤对设计进行调整和优化。过去，在真实的PCB设计背景下，进行RF设计非常困难。当当在PCB上实现经过优化的RF模块时，仍无法保证它仍工作在最佳状态。作为一种验证，需要对PCB实现进行电磁场分析（EM）。

　　这个设计流程存在好几个问题。首先，电路被当作简单的金属层几何图形进行模拟，所以RF工具无法对金属层进行修改，无法把经优化的结果回送至PCB设计后仍拥有一个良好的RF电路。其次，EM方案很耗时。

　　在新流程中，因为PCB工具和RF工具对设计意图有共识，所以电路可在工具集间传来送去而不会丢失设计意图。这意味着电路模拟（速度很快）和EM分析（当需要时）可重复进行，且可对每次电路修改的结果进行比对。这一切是在真实PCB环境中完成的，包含了地平面、RF电路的版图、导线、过孔及其它元件。

　　RF PCB设计瓶颈

　　RF PCB设计瓶颈主要有以下几个。第一，由于PCB板上的每个RF模块可能已经被一个独立的RF设计小组设计出来，以及每个模块可以独立进行升级、演变和重利用，因此将整个电路作为一个整体来管理就变得至关重要，但在任何时候仍然把这些模块作为单独的电路元件进行存取。为了解决这个问题，原理图和版图工具必须扩展，以支持分层分组电路。通过这一方法，即使一个RF电路已经在PCB上布好，它仍然可以作为一个RF电路与其它模块放在一起，并可以连接到适当的 RF设计小组进行分析。

　　

　　下一个障碍是如何设计地平面。在传统的设计流程中，采用RF金属来作为一个黑箱金属块，与地的间隔是手工完成的，因为过空要经过每一个地层。当RF电路更新后（这是一个频繁的操作），裁掉的部分就必须手动修改以对应新的电路。对某些设计来说，仅这一编辑过程可能就要花几周的时间。

　　新的综合设计流程

　　RF设计工具和PCB设计工具之间的综合一直以ASCII IFF格式文件的双向转换为基础。该格式虽能处理部分设计数据，但还远远没有实现无缝的反复综合。缺少库同步是致命的一个原因。

　　这种设计需求催生出了一个基于网络的工具间的通信，它在RF设计和系统级PCB设计间提供一个动态双向链接（图1（b））。为支持并行工程处理，多个 PCB工程师可同时使用同一个设计数据库，每人都能链接一个或多个模拟部分。现在，可以采用RF设计工具来设计RF模块，并在恰当时候将其综合为系统级原理图和PCB的一部分，而不再像过去那样仅是个难以琢磨的黑匣子电路。在此阶段，可在任一环境中升级电路并模拟其效果。

　　将每个RF电路看作一组对象，以帮助维护可追溯性、版本管理和设计问题。因为设计意图得以保全，所以可实施任意多次的设计反复，而没有时间成本。此外，因为可以在真实系统级PCB环境中对RF模块进行模拟，所以应该更详尽地对其功能进行验证以帮助缩短设计周期。