摘 要：利用电磁兼容设计方法通过对特性阻抗、微孔、布局布线、电源模块、接地等技术的研究，进行了GPS上变频器的设计。实验测试结果证明，其输出信号抗噪声能力比没有经过电磁兼容设计产品高15 dB，从而使产品更具有可靠性。
关键词：电磁兼容；上变频器；特性阻抗
GPS上的变频器完成GPS基带信号到载波信号之间的变频，是连接基波信号和载波信号之间的桥梁。其抗干扰能力及变频质量的好坏直接影响到终端的性能。采用传统方法已经不适应于高频设计，基于此本文利用电磁兼容设计方法对GPS上变频器进行设计，以改善它的性能，提高抗干扰能力。
1 上变频器EMC设计
上变频部分由前端放大器、频率合成器、本地振荡器、滤波器及功放电路组成，其结构如图1所示。
其特点是芯片集成度高、体积小、电路的布局布线密度大、多种信号共存、易受干扰等。对于高频部分不能采用传统设计方法，需仔细分析电路的特性，对关键信号先仿真后布线，对关键部分进行电磁兼容性研究。文章对主要上变频部分的特性阻抗、微孔、电源模块、接地等进行电磁兼容（EMC）性设计。
1.1 特性阻抗匹配
在设计PCB射频板之前，要选好板材、匹配特性阻抗、关键信号的线宽仿真计算、各个信号层的设置等。
首先确定层数及各层顺序。本设计采用四层板，如图2所示，由上至下依次为信号层、地层、电源控制线层和地层。而常规四层板设计方法为：由上至下依次是信号层、地层、电源层、信号层。但本设计采用不同于常规的方案，主要考虑到电磁兼容性问题。因为这样把电源和控制线放在两地层中间，无形中两个地层就对它们进行了屏蔽，减少了电磁波对射频传输线的串扰影响；再者，为射频信号提供完整的地层，这样在趋肤效应作用下，降低了地层的阻抗。
其次确定介电常数。信号在高速传输中，导线表面附近的电流密度加大，而中心部分的电流密度减少，趋肤效应使得高频信号衰减增大[1]，即信号沿着导体表面传输，使得阻抗提高。如果按照传统的方法，不对信号进行特性阻抗匹配，就可能会引起信号遇到终端而反射回来叠加到原始信号电平上，或从原始信号电平中扣除，最终甚至无法使系统正常运行和工作[2]。匹配传输线的使用可以使得数字和模拟信号在很长距离上互连接，而不致于它们波形严重失真，不会闭合它们的眼孔（图形）而造成严重的发射问题或者形成很差的抗扰度[2]。很多RF芯片的输入输出阻抗，以及射频通信电缆的特性阻抗值都是50 Ω，基于此，需要把射频板射频传输线特性阻抗尽量接近50 Ω，以符合标准通信的要求。在传输线理论中，表面微带线IPC计算公式如下：
本设计中，首先选择射频板材RF-35，其介电常数εr在1.9 GHz下为3.5±0.035。考虑到性价比，设计走线铜箔厚度为t=1.35 mm，层间板材高度h=10mm，走线宽度w=20 mm，经计算得到特性阻抗Z0=50 Ω，符合射频特性阻抗的要求。
1.2 微孔的设计
通常微孔可分为3类，即盲孔、埋孔和通孔。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通过不超过一定的比率（孔径）。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路的表面。上述两类孔，在线路印制过程中比通孔昂贵，本设计采用通孔（孔穿过整个线路板）技术，连接不同层的线路，通孔直径为12 mm。通孔焊盘直径为25 mm，地平面绝缘孔直径为35 mm，印刷板厚度为35.4 mm。每个过孔都有对地的寄生电容。过孔的物理结构很小，就像电路连接一个元件，其寄生电容参考值[3]为：
式中，D2为地平面的绝缘孔直径，D1为通孔周围的焊盘直径，T为印刷电路板的厚度，C为通孔的寄生电容。
通过式(2)可求得该设计的通孔寄生电容为0.43pf，对10 MHz时钟信号上升沿,利用HyperLynx进行仿真，结果如图3所示，较平稳曲线为源端的信号曲线，另一曲线为接收端的信号曲线，其中接收端的最大过冲电压为128.6 mV, 过冲比率为:
影响很小，可用于时钟过孔走线。
1.3 布局布线设计
在同一个屏蔽腔内布局时，如果空间允许尽量采用“一”字形布局；如果空间确实受到限制，在同一个屏蔽腔内不能采用“一”字布局，要采用“L”形布局[4-5]。
频率合成器中的数据线、时钟线、使能线在射频PCB中，是关键信号线，走线除了应该遵守数字PCB设计规则外，还要注意以下几点：
(1)增加隔离措施，保证数据、时钟、使能线上没有其他信号存在。从屏蔽腔外部接到PCB的数据、时钟、时能线，要经过安装在屏蔽上的穿心电容。另一种简单的方法是在数据、时钟、时能线上加RC低通滤波器，R、C的选值需保证正确的时钟时序，防止时钟的过冲。
(2)数据、时钟、使能线不能在数字频率合成器芯片、晶体、晶体振荡器、变压器、光耦、电源模块等器件底部表面层走线。
(3)数据、时钟、使能线避免与同一层或相邻的模拟信号线交叉走线。
(4)对高频走线尽量走弧线，使阻抗均匀。
(5)射频信号走线采用3W原则。
1.4 接地
关于接地在前面已经说明一些，这里再需要补充的还有：
(1)在工艺允许的前提下，缩短焊盘边缘与过孔边缘的距离；
(2)在工艺允许的前提下，接地大焊盘必须直接盖在至少6个接地过孔上；
(3)接地线需要走一定的距离时，应缩短接地线长度，不能超过λ/20，以防止天线效应导致信号辐射；
(4)除特殊用途外，不得有孤立铜皮，铜皮上一定要加地线过孔。
1.5 电源模块设计
电源在电路中的作用如同心脏在人体中的作用一样，关系到整个电路的“命脉”，所以电源设计部分是关键。典型电源设计都是在电源芯片电源端并接两个电容，一个是容量较大的极性电解电容，另一个是较小的陶瓷电容，分别承担着低频、高频交流成分滤波的任务。但是在射频电路中这样是不够的，需要在把数字地和模拟地，模拟电源和数字电源分开，中间用磁珠连接。电源模块原理如图4所示。
中间连接EMI加磁珠，用于抑制信号线、电源线上的噪声和尖峰干扰，它同时具有吸收静电脉冲能力，这种滤波器只允许直流或低频信号通过，而对较高频率干扰信号则有很大的衰减，使电子设备达到电磁兼容和静电释放的功能。图4电源模块原理图采用3个电容并联，这3个电容的容量相差100倍。利用它们各自的优点分别滤除电源线上的低、中、高频。该模块信号频率高于1 GHz时，还要增加10pF滤波电容[6]。
在PCB印制板中，把电源的模拟部分和数字部分用分割形式完全隔开，其原理如图5所示。
在本设计中，为区别与传统的总线方法，采用位面，电流不受线路控制，分布在整个层上。由于整体阻抗小，电源位面系统比总线系统的噪声更小。
2 实验测试
对输入为2.2 dB正弦信号进行测试比较，R&S FSP30频谱仪测得结果如图6所示。
其中中间峰值Mark1为本振信号，Mark2为上变频信号，Mark3为上变频镜像信号。通过图中比较可以看出上变频信号比本振信号高15.71dB，比其他最大谐波信号高17 dB。
没有经过电磁兼容设计，测得的频谱如图7所示。
上变频信号比本振信号强3 dB，比其他最大谐波信号高3.2 dB。
通过实验测试，采用电磁兼容设计方法，输出信号比本振信号高出15.71 dB，与没有经过电磁兼容设计的PCB板相比，抗噪声能力超过12 dB，使系统更加可靠。为此，对GPS上变频采用电磁兼容方法设计具有重要的意义。
参考文献
[1] 高速数字电路设计及EMC设计[EB].www.cnshu.cn,2008.
[2] 王守三.PCB的电磁兼容设计技术、技巧和工艺[M] .北京:机械工业出版社,2008.
[3] 袁子建,吴志敏,高举.高速PCB的过孔设计[J].电子工艺技术, 2002,(7).
[4] 徐暄,徐红勇,欧阳俊辉,等.印制电路板的电磁兼容问题[J] .电子工艺技术,2001,(7).
[5] STEPHEN A. The RF and microwave circuit design cook book[M].Artech House Publishers,1998.
[6] 黄智伟.射频电路设计[M] .北京:电子工业出版社,2006.