摘 要：利用電磁兼容設(shè)計方法通過對特性阻抗,、微孔,、布局布線、電源模塊,、接地等技術(shù)的研究,，進行了GPS上變頻器的設(shè)計。實驗測試結(jié)果證明,，其輸出信號抗噪聲能力比沒有經(jīng)過電磁兼容設(shè)計產(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基帶信號到載波信號之間的變頻，是連接基波信號和載波信號之間的橋梁,。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，基于此本文利用電磁兼容設(shè)計方法對GPS上變頻器進行設(shè)計,，以改善它的性能,，提高抗干擾能力。
1 上變頻器EMC設(shè)計
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,。
其特點是芯片集成度高、體積小,、電路的布局布線密度大,、多種信號共存、易受干擾等,。對于高頻部分不能采用傳統(tǒng)設(shè)計方法,，需仔細分析電路的特性，對關(guān)鍵信號先仿真后布線,，對關(guān)鍵部分進行電磁兼容性研究。文章對主要上變頻部分的特性阻抗,、微孔,、電源模塊、接地等進行電磁兼容（EMC）性設(shè)計,。
1.1 特性阻抗匹配
在設(shè)計PCB射頻板之前,，要選好板材,、匹配特性阻抗、關(guān)鍵信號的線寬仿真計算,、各個信號層的設(shè)置等,。
首先確定層數(shù)及各層順序。本設(shè)計采用四層板,，如圖2所示,，由上至下依次為信號層、地層,、電源控制線層和地層,。而常規(guī)四層板設(shè)計方法為：由上至下依次是信號層、地層,、電源層,、信號層。但本設(shè)計采用不同于常規(guī)的方案,，主要考慮到電磁兼容性問題,。因為這樣把電源和控制線放在兩地層中間，無形中兩個地層就對它們進行了屏蔽,，減少了電磁波對射頻傳輸線的串擾影響,；再者，為射頻信號提供完整的地層,，這樣在趨膚效應(yīng)作用下,，降低了地層的阻抗?！?/p>
其次確定介電常數(shù),。信號在高速傳輸中，導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)使得高頻信號衰減增大[1]，即信號沿著導體表面?zhèn)鬏?，使得阻抗提高,。如果按照傳統(tǒng)的方法，不對信號進行特性阻抗匹配,，就可能會引起信號遇到終端而反射回來疊加到原始信號電平上,，或從原始信號電平中扣除，最終甚至無法使系統(tǒng)正常運行和工作[2],。匹配傳輸線的使用可以使得數(shù)字和模擬信號在很長距離上互連接,，而不致于它們波形嚴重失真，不會閉合它們的眼孔（圖形）而造成嚴重的發(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,，以符合標準通信的要求,。在傳輸線理論中，表面微帶線IPC計算公式如下：
本設(shè)計中,，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]到性價比,，設(shè)計走線銅箔厚度為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
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)計采用通孔（孔穿過整個線路板）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。每個過孔都有對地的寄生電容,。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)計的通孔寄生電容為0.43pf，對10 MHz時鐘信號上升沿,利用HyperLynx進行仿真,，結(jié)果如圖3所示,，較平穩(wěn)曲線為源端的信號曲線，另一曲線為接收端的信號曲線,，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,，可用于時鐘過孔走線。
1.3 布局布線設(shè)計
在同一個屏蔽腔內(nèi)布局時,，如果空間允許盡量采用“一”字形布局,；如果空間確實受到限制，在同一個屏蔽腔內(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、時鐘線,、使能線在射頻PCB中,，是關(guān)鍵信號線，走線除了應(yīng)該遵守數(shù)字PCB設(shè)計規(guī)則外,，還要注意以下幾點：
(1)增加隔離措施,，保證數(shù)據(jù)、時鐘,、使能線上沒有其他信號存在,。從屏蔽腔外部接到PCB的數(shù)據(jù)、時鐘,、時能線,，要經(jīng)過安裝在屏蔽上的穿心電容。另一種簡單的方法是在數(shù)據(jù),、時鐘,、時能線上加RC低通濾波器，R,、C的選值需保證正確的時鐘時序,，防止時鐘的過沖。
(2)數(shù)據(jù),、時鐘,、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),、時鐘、使能線避免與同一層或相鄰的模擬信號線交叉走線,。
(4)對高頻走線盡量走弧線,，使阻抗均勻。
(5)射頻信號走線采用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個接地過孔上；
(3)接地線需要走一定的距離時,，應(yīng)縮短接地線長度,，不能超過λ/20，以防止天線效應(yīng)導致信號輻射,；
(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
電源在電路中的作用如同心臟在人體中的作用一樣,，關(guān)系到整個電路的“命脈”，所以電源設(shè)計部分是關(guān)鍵,。典型電源設(shè)計都是在電源芯片電源端并接兩個電容,，一個是容量較大的極性電解電容，另一個是較小的陶瓷電容,，分別承擔著低頻,、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，用于抑制信號線,、電源線上的噪聲和尖峰干擾,，它同時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通過,，而對較高頻率干擾信號則有很大的衰減,，使電子設(shè)備達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個電容并聯(lián)，這3個電容的容量相差100倍,。利用它們各自的優(yōu)點分別濾除電源線上的低,、中、高頻,。該模塊信號頻率高于1 GHz時,，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 實驗測試
對輸入為2.2 dB正弦信號進行測試比較，R&S FSP30頻譜儀測得結(jié)果如圖6所示,。
其中中間峰值Mark1為本振信號,，Mark2為上變頻信號，Mark3為上變頻鏡像信號,。通過圖中比較可以看出上變頻信號比本振信號高15.71dB,，比其他最大諧波信號高17 dB。
沒有經(jīng)過電磁兼容設(shè)計,，測得的頻譜如圖7所示,。
上變頻信號比本振信號強3 dB，比其他最大諧波信號高3.2 dB,。
通過實驗測試,，采用電磁兼容設(shè)計方法，輸出信號比本振信號高出15.71 dB,，與沒有經(jīng)過電磁兼容設(shè)計的PCB板相比,，抗噪聲能力超過12 dB，使系統(tǒng)更加可靠,。為此,，對GPS上變頻采用電磁兼容方法設(shè)計具有重要的意義。
參考文獻
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[5] STEPHEN A. The RF and microwave circuit design cook book[M].Artech House Publishers,1998.
[6] 黃智偉.射頻電路設(shè)計[M] .北京:電子工業(yè)出版社,2006.