1.10. 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。
1.10.1. 实例一：2.4 GHz L 型匹配网络
1.10.1.1. 设计指标
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 |
1.10.1.2. 设计步骤
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
1.10.2. 实例二：微带带通滤波器
1.10.2.1. 设计指标
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 |
1.10.2.2. 设计步骤
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
1.10.3. 实例三：RF PCB 布局
场景：2.4 GHz WiFi 前端模块（FEM）的 PCB 布局
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 │ │
│ └──────┘ └──────┘ └──────┘ └──────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────┘
1.10.3.1. 布局要点
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 |
1.10.3.2. 检查清单
□ 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？
小技巧
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