在物联网电路板设计中推动实现无线通信的因素是什么

创新技术正在加速物联网（IoT）的发展和采用，尤其是将微控制器（MCU）与无线连接相结合的“片上系统”（SoC）设计。现代SoC使设计人员能够提供高性能网络，并以比以往更快，更便宜的方式将新系统设计推向市场。

产品设计人员必须通过确保其无线电频率，最大限度地提高无线通信性能 - 无论使用哪种协议（RF）电路和电路板布局得到了全面优化。

这不是一件容易的事，因为您想要发送和接收的RF信号可能不是唯一存在的信号：开关电源或MCU例如，时钟也可以产生RF信号。糟糕的设计会妨碍设备的通信范围，或者需要更高功率的传输来进行补偿。在电池供电的设备中，第二种选择会产生不希望的缩短电池寿命的效果。此外，以更高功率进行传输可能会产生错误信号，这可能会干扰其他设备或违反法规要求。

这就是为什么产品制造商需要了解良好无线通信的一些关键推动因素，以及他们的电路布局如何影响这些推动因素。本文将介绍一些有助于设计人员从其产品中提供最佳RF性能的最佳实践。在整篇文章中，我们将参考电路板布局来容纳来自Silicon Labs的EFR32无线Gecko SoC。

什么会影响RF性能？

如何布局RF印刷电路板（PCB）的一部分可能对器件的RF性能产生巨大影响。首先，问题在于RF元件的位置以及它们与其他元件的距离。这会影响不需要的信号的耦合。

其次，RF和非RF走线（特别是电源线）的路径和尺寸都会产生影响。

第三种是天线。

其他因素包括接地金属化和PCB的物理特性，包括其厚度，层数和介电常数。 PCB上的电源转换器，MCU时钟电路和其他组件也会导致RF频谱中过多的杂散信号，从而降低灵敏度。因此，设计人员必须实现滤波器以将所需信号与不需要的信号分开，并阻止后者到达RF路径。

为了帮助理解如何过滤信号，设计人员必须理解射频电路功能。集成电路（IC）中的无线电由发射器（Tx）和接收器（Rx）组成。 Tx旨在将最大量的所需信号推向天线。在RF IC和负载之间使用阻抗变换，寻求确保在基频处辐射的最大功率量，同时尽可能地减少耗散损耗。您可以使用由并联电容和串联电感组成的组合匹配和滤波网络来实现此目的。

当您在2.4 GHz工作时，Tx功率水平超过13 dBm时，最好使用四元素梯形图（参见图1）。在较低功率下，双元素L-C网络可能就足够了。在接收模式下，Rx通过使用相同的阻抗匹配网络实现最大灵敏度。

图1：这是一个2.4 GHz的四元件发射机匹配网络。

设计电路板的RF部分：需要考虑的事项

许多SoC供应商都提供参考设计，这些参考设计旨在提供最佳的RF性能。但是，存在一个两难选择：尺寸和形状因素限制意味着您无法始终将设计直接复制到产品中。另一方面，调整它可能会影响RF性能：在我们这里讨论的高频范围内，改变元件之间的距离和改变PCB走线长度可能会引入寄生电感。迹线之间的不同间隙或使用不同厚度的衬底会带来寄生电容。同时，改变组件的相对取向或它们之间的间距会影响信号耦合。交换元件的类型或尺寸可能会引入不同的元件寄生效应。

不良设计也会使匹配和滤波网络以及晶体的负载失谐。这可能导致Tx输出功率和Rx灵敏度降低，同时增加电流消耗，杂散发射和不同电路板之间的频率偏移。您可以通过测量传导和辐射信号来观察这些因素。

请记住，您遇到的任何问题可能不仅仅是在PCB的RF部分。当您考虑射频辐射时，您需要考虑整个电路板设计，因为地平面和其他因素会影响传输信号的功率，特别是如果您使用单极天线。地平面的屏蔽效应和非RF PCB走线都会影响辐射杂散的水平;确保将这些保持在EMC限制范围内。

最后，请记住，即使您正在使用与SoC供应商建议完全相同的参考设计，您仍需要仔细设计PCB外部的其他元素参考设计，并考虑它们如何影响它。

如何根据最佳实践设计PCB的RF部分

如果您不能使用参考设计它的原始形式，遵循一套最佳实践指南将增加您成功的机会。

匹配网络的第一个元素应尽可能靠近RF IC的Tx输出引脚。其他组件也应该紧密相连。您希望连接这些元素的迹线宽度等于焊盘宽度 - 对于0402尺寸的表面贴装器件，通常为0.5 mm。

图2：这是一个2.4 GHz EFR32电路板，其中重要元素突出显示。

必须在每个电源引脚上正确放置去耦电容。将最低值的旁路电容放置在最靠近IC引脚的位置，使用良好的接地和多个过孔到接地层。使用电容约为100 nF的旁路电容可以抑制时钟信号（高达数十MHz）。如果不这样做，这些信号可能会被上变频并在载波频率周围产生不希望的杂散。

具有最高值的电容（滤除开关电源的干扰）可以更远来自电源引脚，电池供电套件中根本不需要。

您的晶体应尽可能靠近RF IC。通过多个过孔将其外壳连接到地面。在VDD走线和晶振之间使用隔离接地金属。

正确连接接地连接是必不可少的。加厚电容器接地引脚附近的走线，并在这些接地引脚附近加入额外的过孔，连接到底层或内层接地层。

同样，您应该使用多个过孔将裸露焊盘接地RF IC焊盘的占位面积，也可用作散热器。图2中的示例具有7 x 7 mm IC封装，带有25个过孔，每个过孔的直径为0.25 mm。理想情况下，您的焊盘接地应链接到顶层接地金属，可能通过IC封装的边角使用对角线走线连接。有时，信号可以耦合在附近滤波电容器的接地连接之间;如果将这些连接到传输线两侧的接地端，可以避免此问题。

在匹配的网络区域中，在焊盘和相邻的接地浇口之间保持至少0.5 mm，如以及痕迹之间。如果您使用的是四层PCB，请填充匹配网络下面区域的第一个内层（顶层下方）和连续接地金属的RF IC。最好不要阻止Tx/Rx匹配网络接地过孔与RF IC焊盘之间的接地回路。您需要一条清晰的RF IC返回路径。

要考虑的最后一个方面是RF部分本身。当您连接到板载天线，天线连接器或任何其他RF组件时，请使用50欧姆接地共面传输线。除此之外，这将减少不需要的辐射，您可以通过在耦合器线附近放置多个接地过孔来进一步减少辐射。

图3显示了如何使用传输线。

设计整体PCB：需要考虑的事项

除了PCB的RF部分外，您还可以通过多种方式提高性能。对于初学者，将连续接地金属化从RF区域扩展到整个PCB。

通过帮助确保正确的VDD滤波，在整个接地区域保持RF电压电位相等将有助于实现良好的RF接地。如果您使用单极型天线，这也将为他们提供良好的地平面。用接地金属填充任何间隙，并在底层和顶层连接产生的部分，尽可能多的过孔。

您还需要在接地金属区域的边缘部署多个接地过孔，特别是在电源走线（参见图3）和PCB边缘周围。这将减少边缘场可能引起的谐波辐射。

如果您的电路板有三层或更多层，请将所有走线（特别是电源走线）或电线放在内层。通过在顶层和底层使用尽可能多的连续接地金属化，可以最大限度地减少这些迹线的辐射。

最后，尽可能保持电源走线远离PCB边缘。

图3：此电路板布局显示电路板边缘的传输线和接地过孔。

结论

无线连接在现代生活中起着至关重要的作用 - 从我们日常使用的消费类电子产品到不断增长的物联网。物联网尤其依赖于能够有效地（通常通过本地接入点）将数据发送到互联网，只使用一个小电池作为电源。

使这个物联网驱动，互联的世界可能，产品设计师需要强大，经济的无线通信方法。实现这一目标的最佳方法之一是使用可轻松构建到更大产品中的SoC。但为了使整体设计正确，产品制造商必须仔细考虑RF电路的构成和布局 - 这个领域在最好的时候都具有挑战性。

一个好的起点是使用SoC供应商的参考设计，但这并不总是可行的。因此，设计人员需要了解并实施RF设计最佳实践。这将有助于确保他们实现所需的通信性能，同时保持其功率预算和监管要求。