PCB RF設計新方法:與數模電路的混合設計
發布時間:2013-07-10 責任編輯:eliane
【導讀】隨著手持無線通信設備和遙控設備的普及,對模擬、數字和RF混合設計需求也顯著增長。傳統PCB的RF部分由RF專業人員在獨立環境下設計好後,再與混合技術PCB的其餘部分合並在一起,這一過程效率很低,本文將介紹一種將RF與數模電路設計在同一PCB上的新方法。
手持無線通信設備和遙控設備的普及推動著對模擬、數字和RF混合設計需求的顯著增長。手持設備、基站、遙控裝置、藍牙設備、計算機無線通信功能、眾多消費電器以及軍事/航空航天係統現需要采用RF技術。
數年來,RF設計需要專業設計人員使用專門的設計和分析工具來完成。典型情況下,PCB的RF部分由RF專業人員在獨立環境下設計好後,再與混合技術PCBdeqiyubufenhebingzaiyiqide。zheyiguochengdexiaolvhendi,erqieweileyuhunhejishuzhenghezaiyiqi,changchangxuyaofanfusheji,haixuyaoyongdaoduogehubuxiangguandeshujuku。
在過去,設計功能在兩個設計環境進行和重複,並通過一個非智能的ASCII接口連接。兩個環境中的PCB係統設計和RF專門設計係統有它們自己的庫、RF設計數據庫和設計存檔。這就要求兩個環境中的設計數據(原理圖和版圖)和庫通過一個繁瑣的ASCII接口進行管理和同步。
在這一舊的方法下,RF設計師孤立於PCB係統設計中的其他部分進行RF電路的開發。然後該RF電路再利用ASCII文件翻譯到總體PCB設計中,從而在主PCB上創建出原理圖和物理實現。如果RF電路存在問題,那麼設計必須在獨立的RF解決方案中修正,然後再重新翻譯進主PCB。
RF模擬器隻模擬了理想的射頻電路。在實際混合係統實現中有許多零碎的地層、地過空和相鄰的RF電路,這使得分析變得非常的困難,而且誰都知道這些附加的形狀將會對RF電路運作產生長久的影響。
這一舊方法多年來已成功地用於混合信號電路板設計,但隨著產品中RF電路含量的增加,兩個獨立設計係統帶來的問題已開始影響設計師的生產力、產品上市時間和產品的質量。
為了解決這些問題,Mentor Graphics公司已經開發出一種動態鏈接技術,它可以將PCB原理圖和版圖工具與RF設計和模擬工具集成在一起,從而產生了一種新的解決方案,它可以克服傳統的射頻設計的缺點。
RF感知(RF aware)PCB設計
為保持PCB和RF設計間的設計意圖,RF設計工具必須理解PCB布局中麵向層(layer-oriented)的結構,而PCB係統也必須理解RF設計環境中使用的參數化平麵微波元件。
另一個關鍵問題是,PCB係統將RF電路的版圖構建成短路電路,這妨礙了對設計進行正確的設計規則檢驗(DRC)。對當今的複雜RF係統設計來說,功能上的RF感知DRC是設計方法學確保設計正確所必須的。
所有這些都對保持設計意圖有幫助。保持設計意圖非常關鍵,因為它是實現在工具集間設計數據的多次往返而不丟失信息的基礎。
RF設計是個反複的過程,需要采取很多步驟對設計進行調整和優化。過去,在真實的PCB設計背景下,進行RF設計非常困難。當在PCB上實現經過優化的RF模塊時,仍無法保證它仍工作在最佳狀態。作為一種驗證,需要對PCB實現進行電磁場分析(EM)。
這個設計流程存在好幾個問題。首先,電路被當作簡單的金屬層幾何圖形進行模擬,所以RF工具無法對金屬層進行修改,無法把經優化的結果回送至PCB設計後仍擁有一個良好的RF電路。其次,EM方案很耗時。
在新流程中,因為PCB工具和RF工具對設計意圖有共識,所以電路可在工具集間傳來送去而不會丟失設計意圖。這意味著電路模擬(速度很快)和EM分析(當需要時)可重複進行,且可對每次電路修改的結果進行比對。這一切是在真實PCB環境中完成的,包含了地平麵、RF電路的版圖、導線、過孔及其它元件。
RF PCB設計瓶頸
RF PCB設計瓶頸主要有以下幾個。第一,由於PCB板上的每個RF模塊可能已經被一個獨立的RF設計小組設計出來,以及每個模塊可以獨立進行升級、演yan變bian和he重zhong利li用yong,因yin此ci將jiang整zheng個ge電dian路lu作zuo為wei一yi個ge整zheng體ti來lai管guan理li就jiu變bian得de至zhi關guan重zhong要yao,但dan在zai任ren何he時shi候hou仍reng然ran把ba這zhe些xie模mo塊kuai作zuo為wei單dan獨du的de電dian路lu元yuan件jian進jin行xing存cun取qu。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti,原yuan理li圖tu和he版ban圖tu工gong具ju必bi須xu擴kuo展zhan,以yi支zhi持chi分fen層ceng分fen組zu電dian路lu。通tong過guo這zhe一yi方fang法fa,即ji使shi一yi個geRF電路已經在PCB上布好,它仍然可以作為一個RF電路與其它模塊放在一起,並可以連接到適當的RF設計小組進行分析。

圖1:RF PCB 設計瓶頸
下一個障礙是如何設計地平麵。在傳統的設計流程中,采用RF金屬來作為一個黑箱金屬塊,與地的間隔是手工完成的,因為過空要經過每一個地層。當RF電路更新後(這是一個頻繁的操作),裁掉的部分就必須手動修改以對應新的電路。對某些設計來說,僅這一編輯過程可能就要花幾周的時間。
新的綜合設計流程
RF設計工具和PCB設計工具之間的綜合一直以ASCII IFF格式文件的雙向轉換為基礎。該格式雖能處理部分設計數據,但還遠遠沒有實現無縫的反複綜合。缺少庫同步是致命的一個原因。
這種設計需求催生出了一個基於網絡的工具間的通信,它在RF設計和係統級PCB設計間提供一個動態雙向鏈接。為支持並行工程處理,多個PCB工程師可同時使用同一個設計數據庫,每人都能鏈接一個或多個模擬部分。現在,可以采用RF設計工具來設計RF模塊並在恰當時候將其綜合為係統級原理圖和PCB的一部分,而不再像過去那樣僅是個難以琢磨的黑匣子電路。在此階段,可在任一環境中升級電路並模擬其效果。
將每個RF電路看作一組對象,以幫助維護可追溯性、版本管理和設計問題。因為設計意圖得以保全,所以可實施任意多次的設計反複,而沒有時間成本。此外,因為可以在真實係統級PCB環境中對RF模塊進行模擬,所以應該更詳盡地對其功能進行驗證以幫助縮短設計周期。
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