====================================== 射频设计实例 ====================================== 本章通过三个完整的实例串联全书知识点：从匹配网络设计、滤波器设计到 PCB 布局。 实例一：2.4 GHz L 型匹配网络 =============================== 设计指标 --------- .. list-table:: :header-rows: 1 * - 参数 - 值 - 说明 * - 频率 - 2.45 GHz - WiFi / 蓝牙 / Zigbee * - 负载阻抗 - 12 - j15 Ω - 假设芯片输出阻抗 * - 目标阻抗 - 50 Ω - 系统阻抗 * - 匹配类型 - L 型低通 - 阻隔高次谐波 * - 带宽 - > 200 MHz (VSWR < 2:1) - 覆盖 ISM 频段 设计步骤 --------- .. code-block:: 步骤 1：在史密斯圆图上定位 Z_L z_L = (12 - j15) / 50 = 0.24 - j0.30 步骤 2：选择拓扑 从负载到源，先并联 C 再串联 L（低通拓扑） 因为负载的实部 < 50 Ω，先并联提升实部到 50 Ω 步骤 3：计算元件值 并联电容： b = 1/0.24 × √(1/0.24 - 1) ≈ 1.53 C = 1.53 / (2π × 2.45e9 × 50) ≈ 1.99 pF 串联电感： x = √(1/0.24 - 1) ≈ 1.78 L = 1.78 × 50 / (2π × 2.45e9) ≈ 5.78 nH 步骤 4：ADS 仿真验证 原理图： ┌────────────┬─────────────┬────────────┐ │ TermG1 ┝ L=5.8 nH ┝ ┝ TermG2 │ Z=50 Ω │ │ C=2.0 pF │ Z=12-j*15 └────────────┴────────────┴────────────┘ │ GND 步骤 5：仿真结果 - S₁₁ < -30 dB @ 2.45 GHz - VSWR < 1.2:1 在 2.3~2.6 GHz - 插入损耗 < 0.1 dB 步骤 6：PCB 实现 选择 0603 封装的 MLCC 和叠层电感： C ≈ 2.0 pF (村田 GRM18 系列，SRF > 6 GHz) L ≈ 5.6 nH (村田 LQG18 系列，SRF > 4 GHz) 微带线宽（FR4, h=0.8mm）：≈ 1.5 mm 焊盘寄生：约 0.3 pF → 将 C 调整为 1.8 pF 实例二：微带带通滤波器 ========================= 设计指标 --------- .. list-table:: :header-rows: 1 * - 参数 - 值 - 说明 * - 中心频率 - 2.45 GHz - ISM 频段 * - 带宽 - 200 MHz - 8.2% 相对带宽 * - 插入损耗 - < 3 dB - 通带内 * - 带外抑制 - > 20 dB @ 2.0 GHz & 2.9 GHz - 邻频抑制 * - 阶数 - 3 - 切比雪夫响应 * - 纹波 - 0.1 dB - 通带等波纹 设计步骤 --------- .. code-block:: 步骤 1：原型滤波器参数 切比雪夫 0.1 dB 纹波，n=3 g0 = 1.0, g1 = 1.0316, g2 = 1.1474, g3 = 1.0316, g4 = 1.0 步骤 2：耦合系数和 Q 值 外部 Q 值：Q_e1 = g0×g1 / FBW = 1.0316 / 0.082 = 12.58 Q_e2 = g3×g4 / FBW = 1.0316 / 0.082 = 12.58 耦合系数： k_{12} = FBW / √(g1×g2) = 0.082 / √(1.0316×1.1474) = 0.075 k_{23} = FBW / √(g2×g3) = 0.082 / √(1.1474×1.0316) = 0.075 步骤 3：微带谐振器尺寸 选基板：Rogers 4350B (ε_r=3.5, h=0.508 mm, tanδ=0.0037) 50 Ω 微带线宽 ≈ 1.1 mm 谐振器长度 = λ/2 ≈ 41.6 mm @ 2.45 GHz 步骤 4：耦合间隙提取 使用 ADS 的耦合线模型 (MCLIN)： 耦合器 1：W=1.1 mm, S=0.3 mm, L=λ/4 ≈ 20.8 mm → 仿真提取耦合系数 k_{12} 调整间隙直到 k_{12} = 0.075 步骤 5：ADS 仿真 在 ADS 中构建三阶平行耦合微带滤波器： ┌─────────────────────────────────────────┐ │ ──── ──── ──── ──── ──── ──── │ │ │ │ │ │ ──── ──── ──── ──── ──── ──── │ │ P1 P2 │ │ λ/4 λ/4 λ/4 λ/4 λ/4 λ/4 │ └─────────────────────────────────────────┘ 步骤 6：结果 S₂₁ 通带损耗 ≈ 2 dB S₁₁ < -15 dB @ 2.35~2.55 GHz S₂₁ < -25 dB @ 2.0 GHz 实例三：RF PCB 布局 ===================== 场景：2.4 GHz WiFi 前端模块（FEM）的 PCB 布局 .. code-block:: RF FEM PCB 布局（顶层） ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │ ●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──● │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ ●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──●──● │ │ │ │ ┌──────────────────────────────────────┐ │ │ │ 屏蔽罩区域 │ │ │ │ │ │ │ │ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ │ │ │ │ │ PA │→│ 匹配 │→│ 滤波器 │ │ │ │ │ │ 芯片 │ │ 网络 │ │ │ │ │ │ │ └────────┘ └────────┘ └────────┘ │ │ │ │ ↓ │ │ │ │ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ │ │ │ │ │ LNA │←│ 匹配 │←│ 滤波器 │ │ │ │ │ │ 芯片 │ │ 网络 │ │ │ │ │ │ │ └────────┘ └────────┘ └────────┘ │ │ │ │ ← 天线开关 → │ │ │ │ SPDT │ │ │ │ │ │ │ └──────────────────────────────────────┘ │ │ │ │ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ │ │ │ 电源 │ │ 去耦 │ │ 去耦 │ │ 去耦 │ │ │ │ 管理 │ │ PA │ │ LNA │ │ 控制 │ │ │ └──────┘ └──────┘ └──────┘ └──────┘ │ │ │ └─────────────────────────────────────────────────┘ 布局要点 --------- .. list-table:: :header-rows: 1 * - 要点 - 实施 - 原因 * - 分区布局 - RF 与数字分开 - 避免数字噪声耦合到 RF * - 短走线 - 50 Ω 走线尽量短 - 减少损耗和辐射 * - 地过孔 - 每个接地焊盘 ≥ 2 个过孔 - 降低接地电感 * - 屏蔽罩 - 覆盖 PA 和 LNA 区域 - 隔离收发互相干扰 * - 去耦电容 - 紧靠电源引脚 - 降低电源阻抗 * - 地平面 - 层 2 完整地平面 - 保证 50 Ω 参考面 检查清单 ---------- .. code-block:: □ 所有 RF 走线阻抗是否 50 Ω？ □ 地平面是否完整无分割？ □ RF 走线下方是否有完整地参考？ □ 拐角是否为 45° 或圆弧？ □ 每个 RF 接地焊盘是否 ≥ 2 个过孔？ □ 去耦电容是否紧靠 IC 电源引脚？ □ PA 和 LNA 是否有屏蔽罩？ □ 数字信号是否远离 RF 区域？ □ 天线馈线是否最短路径？ □ 电源线是否足够宽（承载电流）？ □ 是否有测试点/连接器用于调试？ □ PCB 叠层是否满足阻抗控制？ .. tip:: 设计流程总结： #. 📝 需求分析 #. 📐 电路设计（ADS 原理图仿真） #. 🔄 优化匹配网络 #. 📋 EM 协同仿真（Momentum） #. 🎯 PCB 布局布线 #. 📊 制造与调试 #. 🔬 网络分析仪/频谱仪测量