13.基础电路设计(十三)5GHz的高频电路设计技巧
高频电路设计布线技巧,您需要知道这十项规则
高频电路设计布线技巧，您需要知道这十项规则如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHZ~50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说1/3），通常就称为高频电路。
高频电路设计是一个非常复杂的设计过程，其布线对整个设计至关重要！【第一招】多层板布线高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须，也是降低干扰的有效手段。
在PCB Layout阶段，合理的选择一定层数的印制板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，更好地实现就近接地，并有效地降低寄生电感和缩短信号的传输长度，同时还能大幅度地降低信号的交叉干扰等，所有这些方法都对高频电路的可靠性有利。
有资料显示，同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB。
但是，同时也存在一个问题，PCB 半层数越高，制造工艺越复杂，单位成本也就越高，这就要求我们在进行PCB Layout时，除了选择合适的层数的PCB板，还需要进行合理的元器件布局规划，并采用正确的布线规则来完成设计。
【第二招】高速电子器件管脚间的引线弯折越少越好高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折，可用45度折线或者圆弧转折，这种要求在低频电路中仅仅用于提高铜箔的固着强度，而在高频电路中，满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。
【第三招】高频电路器件管脚间的引线越短越好信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的，高频的信号引线越长，它就越容易耦合到靠近它的元器件上去，所以对于诸如信号的时钟、晶振、DDR的数据、LVDS线、USB 线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。
【第四招】高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好所谓引线的层间交替越少越好是指元件连接过程中所用的过孔（Via）越少越好。
据侧，一个过孔可带来约0.5pF的分布电容，减少过孔数能显著提高速度和减少数据出错的可能性。
【第五招】注意信号线近距离平行走线引入的串扰高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的串扰，串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现象。
高频通讯电路设计
高频通讯电路设计
高频通讯电路设计是现代通讯技术中的重要组成部分，它能够实现高速、稳定、精确的信号传输，为人们的生活和工作提供了便利。
在高频通讯电路设计中，需要考虑诸多因素，包括频率、带宽、信噪比、功率等，以确保信号的传输质量。
首先，高频通讯电路设计需要考虑的因素之一是频率。
通讯电路的频率通常处于几百兆赫兹至几千兆赫兹的范围内，因此需要选择适合这一范围的元器件和材料，以满足高频信号的传输需求。
同时，还需要考虑信号的带宽，确保信号能够完整地传输，不受到频率限制的影响。
其次，高频通讯电路设计还需要关注信噪比的问题。
在高频通讯中，信号受到干扰的可能性较大，因此需要设计合理的滤波器和抑制器，以降低信号的干扰和噪声，提高通讯质量。
这需要合理选择元器件和设计电路结构，以确保信噪比在合理范围内。
另外，在高频通讯电路设计中，功率也是一个重要的考量因素。
高频信号传输需要较大的功率支持，因此需要设计合理的功率放大器和功率调节器，以确保信号传输的稳定和可靠。
综上所述，高频通讯电路设计是一项复杂而重要的工作。
在这一过程中，需要综合考虑频率、带宽、信噪比、功率等多个因素，以确保通讯信号的稳定、高效传输。
随着通讯技术的不断发展，高频通讯电路设计也将不断创新和完善，为人们的通讯生活带来更多便利和可能。
高频电路的设计与仿真方法
高频电路的设计与仿真方法电子与电气工程是现代科技发展中不可或缺的重要学科，它涵盖了电子、电气、通信等领域的理论与技术。
其中，高频电路的设计与仿真是电子与电气工程中的一个重要分支，它在无线通信、雷达、卫星导航等领域起着关键作用。
本文将介绍高频电路的设计与仿真方法，帮助读者了解高频电路的基本原理和实践应用。
一、高频电路的基本原理高频电路是指工作频率在几十千赫兹（kHz）到几百千兆赫兹（GHz）范围内的电路。
与低频电路相比，高频电路在设计和分析上面临着更多的挑战，因为高频信号的特性与传统电路有很大的差异。
高频电路的主要特点包括：信号传输路径长度较短、电路元件尺寸较小、电磁波传播效应显著等。
因此，高频电路的设计与仿真需要考虑到这些特点，并采用相应的方法与工具。
二、高频电路设计的基本步骤高频电路的设计过程可以分为以下几个基本步骤：需求分析、电路拓扑设计、元件选择、参数计算、电路布局与布线、仿真与调试等。
需求分析是高频电路设计的第一步，它需要明确电路的功能需求、工作频率范围、性能指标等。
在电路拓扑设计阶段，设计师需要选择适合的电路结构和拓扑，以满足设计需求。
元件选择是指根据设计要求选择合适的电子元件，如电容、电感、晶体管等。
参数计算是根据电路设计需求，计算各个元件的参数值，如电容的容值、电感的感值等。
电路布局与布线是将元件按照一定的布局规则进行布置，并通过导线进行连接。
最后，通过仿真与调试可以验证电路的性能指标是否满足设计要求，并进行必要的优化。
三、高频电路的仿真方法在高频电路设计中，仿真是一种重要的工具，它可以帮助设计师预测电路的性能、验证设计的正确性，并进行性能优化。
常用的高频电路仿真方法包括：基于电磁场的三维电磁仿真、基于电路的线性仿真和非线性仿真。
基于电磁场的三维电磁仿真是一种较为精确的仿真方法，它可以考虑到电磁波在电路中的传播和反射等效应。
该方法使用专业的电磁场仿真软件，如Ansys HFSS、CST Microwave Studio等，通过建立几何模型、设置边界条件和材料参数等，对电磁场进行数值求解，得到电路的电磁特性。
高频电子线路课程设计
高频电子线路课程设计背景高频电子线路是电子工程中重要的一门学科，它涉及到射频信号处理、微波电路、天线设计等领域。
基本电路设计知识在高频电子线路中同样适用，但需要深入理解和掌握高频电路特性和性能参数，设计复杂又具有挑战性。
本文将针对高频电子线路课程设计进行详细阐述，帮助学生加深对于高频电子线路的理解和知识，同时具备实际应用价值。
设计目标设计一个5GHz的放大器电路，输入信号功率为-10dBm，输出信号功率为18dBm，增益不小于15dB。
设计步骤1. 确定放大器类型初步确定本次设计需要采用低噪声放大器（LNA），由于输入信号功率较低，需要保证输入电路的低噪声水平，同时保证放大器输出功率足够。
2. 设计输入电路输入电路的设计需要注意两点：一是适应5GHz信号的高频特性，二是实现低噪声。
输入电路可以采用微带线或共面波导作为传输线，并且要与放大器贴片封装相匹配。
3. 选择放大器器件在选择放大器器件时，需要注意输入/输出功率、增益、稳定性、电源电压等参数。
按照本次设计的要求，需要满足输入功率为-10dBm，输出功率为18dBm，且增益大于15dB。
因此，可以选择如下几个型号的器件：•Avago ATF-54143•NXP BFG425W/X•Linear Technology LTC2216CUJ-TRPBF4. 设计放大器电路放大器电路分为两个部分：共源放大器和输出级放大器。
在搭建放大器电路之前，需要评估器件的参数，包括输入阻抗、输出阻抗、谐振频率等。
放大器电路中还需要加入偏置电路，以保证放大器器件工作的稳定性。
具体放大器电路设计如下：5. 仿真和调试在完成放大器电路设计后，需要进行仿真和调试。
使用ADS软件对放大器电路进行仿真，评估电路的性能，如增益、频率响应、稳定性等。
在仿真过程中，可以通过调整偏置电路的元件值、调整电缆长度、改变传输线贴片等方式对电路进行调整，直到达到设计要求。
仿真结果如下：6. 实验验证在验证电路的性能之前，需要制作PCB板，将电路固定在板子上。
电路中的高频电路和射频电路设计
电路中的高频电路和射频电路设计电子技术的不断发展，使得无线通信技术得到了迅速的发展和普及。
在无线通信领域中，高频电路和射频电路起着至关重要的作用。
本文将重点探讨电路中的高频电路和射频电路设计，并且对其原理和应用进行分析。
一、高频电路设计高频电路是指工作频率在数百千赫至数百兆赫范围内的电路。
在高频电路设计中，需要考虑的因素众多，如材料的损耗、电路的稳定性和抗干扰能力等。
下面，将从材料选择、布局设计和电源稳定性等方面来介绍高频电路设计的要点。
1. 材料选择在高频电路设计中，材料的选择是至关重要的。
因为不同材料的特性会对电路的性能产生重大影响。
例如，导体材料的电导率和损耗因子应该尽可能低，以减小信号的损耗。
绝缘材料应具有良好的绝缘性能和低介电常数，以减小信号的衰减和交叉干扰。
2. 布局设计在高频电路设计中，布局设计对电路的性能起着重要作用。
首先，将不同的功能模块分开布局，以减少干扰和串扰。
同时，要合理布局信号线和电源线，减小信号传输的损耗和电源的波动。
3. 电源稳定性高频电路对电源的稳定性要求非常高，因为电源波动会直接影响到电路的性能和稳定性。
因此，在设计中需要添加稳压电路、滤波电路和抑制电感电容等元件，以保证电源的稳定性。
二、射频电路设计射频电路是指工作频率在几十兆赫至几百千赫范围内的电路。
射频电路设计相比于普通的电路设计更为复杂，需要更高的技术水平和更深入的理解。
以下将从天线设计、功率放大器设计和滤波器设计等方面来介绍射频电路设计的要点。
1. 天线设计天线作为射频电路的重要组成部分，其设计直接影响到无线通信的传输性能。
在天线设计中，需要考虑天线的频率响应、增益、辐射图案等因素。
同时，还需要避开电路干扰，减小天线和其他器件的耦合。
2. 功率放大器设计功率放大器在射频电路中承担着放大和传输信号的重要任务。
功率放大器设计的关键是选择合适的放大器结构和参数，以满足射频信号的要求。
在设计过程中，需要注意功率放大器的线性度、效率和稳定性等因素。
总结一些高频电路的设计技巧及注意事项
总结一些高频电路的设计技巧及注意事项电子技术快速发展，以及无线通信技术在各领域的广泛应用，高频、高速、高密度已逐步成为现代电子产品的显着发展趋势之一。
信号传输高频化和高速数字化，迫使PCB走向微小孔与埋/盲孔化、导线精细化、介质层均匀薄型化，高频高速高密度多层PCB设计技术已成为一个重要的研究领域。
作者根据多年在硬件设计工作中的经验，总结一些高频电路的设计技巧及注意事项，供大家参考。
1、如何选择PCB 板材？选择PCB 板材必须在满足设计需求和可量产性及成本中间取得平衡点。
设计需求包含电气和机构这两部分。
通常在设计非常高速的PCB 板子(大于GHz 的频率)时这材质问题会比较重要。
例如，现在常用的FR-4 材质，在几个GHz 的频率时的介质损耗(dielectric loss)会对信号衰减有很大的影响，可能就不合用。
就电气而言，要注意介电常数(dielectric constant)和介质损在所设计的频率是否合用。
2、如何避免高频干扰？避免高频干扰的基本思路是尽量降低高频信号电磁场的干扰，也就是所谓的串扰(Crosstalk)。
可用拉大高速信号和模拟信号之间的距离，或加ground guard/shunt traces 在模拟信号旁边。
还要注意数字地对模拟地的噪声干扰。
3、在高速设计中，如何解决信号的完整性问题？信号完整性基本上是阻抗匹配的问题。
而影响阻抗匹配的因素有信号源的架构和输出阻抗(output impedance)，走线的特性阻抗，负载端的特性，走线的拓朴(topology)架构等。
解决的方式是靠端接(termination)与调整走线的拓朴。
4、差分布线方式是如何实现的？差分对的布线有两点要注意，一是两条线的长度要尽量一样长，另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变，也就是要保持平行。
平行的方式有两种，一为两条线走在同一走线层(side-by-side)，一为两条线走在上下相邻两层(over-under)。
高频电路设计
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在通信、雷达、卫星导航等领域，高频电路的设计应用广泛，因此对于工程师来说，了解高频电路设计的原理和方法是非常必要的。
一、高频电路设计的基础知识在进行高频电路设计之前，首先需要了解一些基础知识。
高频电路的特点是在设计时需要考虑电磁波的传输和辐射效应，因此对于传输线、滤波器、功率放大器、混频器等组件的特性要有深入的了解。
电子设计中的高频电路设计
电子设计中的高频电路设计在电子设计中，高频电路设计是一项非常重要的任务。
高频电路设计涉及到信号的传输和处理，因此需要特别关注信号的稳定性、准确性和抗干扰能力。
在进行高频电路设计时，需要考虑一系列因素，包括电路的频率响应、功率损耗、噪声性能、匹配阻抗等。
首先，在高频电路设计中，频率响应是一个关键因素。
频率响应指的是电路在不同频率下的表现，包括增益、相位延迟等。
在设计高频电路时，需要确保电路在设计频率范围内有较为平坦的频率响应，以保证信号传输的准确性和稳定性。
其次，功率损耗是高频电路设计中需重点关注的问题之一。
在传输高频信号时，电路会产生一定的功率损耗，如果功率损耗过大会影响信号的传输效果。
因此，在设计高频电路时需要选择合适的元件和材料，以降低功率损耗，提高电路的效率。
另外，噪声性能也是高频电路设计中需要考虑的重要因素。
在高频电路中，会存在各种形式的噪声，如热噪声、亚瓦噪声等。
为了减小噪声的影响，需要设计合适的滤波器、放大器等电路来降低噪声水平，提高信号的清晰度。
此外，在高频电路设计中，匹配阻抗也是一个关键问题。
匹配阻抗的不匹配会导致信号反射和功率损耗，影响整个电路的性能。
因此，在设计高频电路时，需要确保各个组件之间的匹配阻抗，以保证信号的稳定传输和最大功率传输。
总的来说，高频电路设计需要综合考虑频率响应、功率损耗、噪声性能和匹配阻抗等因素，以确保电路的性能和稳定性。
通过合理的设计和参数选择，可以有效地提高高频电路的工作效率和可靠性，实现更好的信号传输和处理效果。
因此，在进行高频电路设计时，需要谨慎选择元件和设计电路，以满足设计要求和提高电路性能。
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基礎電路設計（十三）5GHz的高頻電路設計技巧宇量圖3 電感串聯與分路的模擬電路圖4 電感串聯電路的通過特性圖5 電感並聯電路的通過特性幾乎所有的chip condenser廠商未在產品型錄或是資料表(data sheet)記載該元件的自我共振頻率，因此必需利用類似MCSIL(Murata Chip S-parameter & Impedance Libra ry)進行chip condenser的等價電路值。
圖6是MCSIL的畫陎。
雖然chip inductor的等價電路為並聯共振電路，不過圖7的chip condenser卻是串聯共振電路。
接著利用村田公司MCSIL軟體，分析太陽誘電公司1680type GRM18系列GRM1884C1H1R0CZ01高頻積層chip inductor的自我共振特性，其結果如下所示:‧自我共振頻率: 5785MHz。
‧阻抗值C: 0.93pF。
‧電感值L: 0.81nH。
圖8是50Ω插入並聯(series)與分路(shunt)時的模擬(simulation)電路；圖9與圖10分別是並聯(series)與分路(shunt)時的通過特性圖。
為了簡化比較因此用祇有電感值(inductance)成份的特性方式表示，也就是說測詴結果並無無寄生容量的特性。
由圖10的測詴結果可知50Ω插入分路(shunt)時，會以共振頻率為中心出現極大差異，相較之下50Ω插入並聯(series)時，若與祇有電容(capacitor)成份比較，雖然並未出現很大差異，不過在共振頻率附近的損失卻明顯減少。
由此可知若將電容單純當作藕合電容(coup ling condenser)使用時，電感成份的影響會比較少，相較之下或若將電容當作matching特性調整使用時，電感成份的影響則明顯增加。
圖6 MCSIL的實際畫陎圖7 chip condenser的等價電路圖8 電容串聯與分路的模擬電路圖9 電容串聯電路的通過特性圖10 電容並聯電路的通過特性此外GND(Ground)的設計對高頻電路具有關鍵性的影響，如果未正確設計GND，其結果不單是增幅器等主動電路受到影響，經常連filter等被動電路也無法獲得預期的性能。
以如圖11所示的micro strip電路為例，通常多層電路板內側表層會成為基準的接地層(Ground layer)，封裝於電路板表層的元件接地，則是利用小直徑via hole與內層連接。
為了確認與內側表層連接的表層patter是否屬於GND，因此不斷變更厚0.8的FR4玻璃環氧基板上的via hole直徑，並利用模擬分析探討via hole的阻抗(impedance)特性，亦即所謂電抗(reactance)特性。
圖12是模擬電路，圖13是模擬分析後的阻抗特性。
由分析結果可知via hole具有微量的電抗成份，因此多層電路板表陎的GND會比照微量的電抗成份，從內側基準的接地層浮現，如圖13所示via hole的直徑越大，電抗成份相對的越小。
此外頻率越高電抗也越大，如果將via hole視為inductor，並計算等價性電感值其結果為:0.067Nh@R=0.5mm基板材質: FR4。
基板厚度: 0.8mm。
頻率: 5GHz。
根據實驗結果顯示基板厚度越薄，via hole直徑越大且複數設置時，基本上可以有效減緩電抗。
圖11 連接表、裏層GND的via hole圖12 via hole的simulation電路圖13 via hole的頻率阻抗特性晶片元件對高頻電路的影響接著要介紹chip induct、chip condenser以及via hole對5GHz LAN電路的影響，該電路使用Agilent公司的ATF-55143半導體，ATF-55143元件屬於低雜訊強化模式(enhanc ement mode)的模擬型HEMT(High Electron Mobility Transistor)。
ATF-55143的輸入為2GHz，V DS=2.7V，I DS=10mA 時的特性如下所示:‧三次IMD的intercept point為24.2dBm。
‧1dB壓縮(compression)輸出為14.4dBm。
‧噪訊值(noise figure) 為0.6dB。
‧Gain為17.7dB。
ATF-55143最大的特徵是它的強化模式(enhancement mode)，因為一般depletion mode的HEMT，gate電位必需比source的電位低，因此必需設置如圖14(a)所示的gate偏壓(bia s)用負電源，或是如圖14(b)所示在source與GND之間插入電阻，使source 電位比gate電位高。
而ATF-55143的強化模式(enhancement mode)不需借助其它電子元件，就可使gate電位高於source電位。
具體方法如14(C)所示將source連接於GND，如此便可用正的單電源同時提供偏壓給gate與drain。
圖14 HEMT的偏壓方式接著根據資料表(data sheet)記載的V DS=2.0V，I DS=15mA 的S參數與噪訊參數，進行以下三種模擬(simulation)分析: ‧模擬分析1: 使用理想性電子元件，具體而言是GND使用理想性被動電子元件，且HEMT連接的GND也是理想性。
圖15是可作定數調整的模擬電路；圖16是噪訊形態(noise figure)測詴結果；圖17是Gain測詴結果；圖18是輸出入VSWR測詴結果。
根據上述測詴結果可知雖然上述測詴屬於模擬分析架構，不過卻可獲得很好的特性。
圖15 定數調整用模擬電路圖16 理想性元件與GND的噪訊型態測詴結果圖17 理想性元件與GND的Gain測詴結果圖18 理想性元件與GND的VSWR‧模擬分析2:實測值更換成L(電感)與C(電容)，同時將via hole GND也列入考慮，並假設特性會惡化。
圖14電路的L(電感)與C(電容)假設是使用太陽誘電公司的HK1608系列或是GRM18系列的chip induct與chip condenser元件，因此必需更換成共振電路，此外還利用via hole將HEMT的source與GN D連接進行模擬分析。
chip induct的寄生容量全部都是0. 1pF，chip condenser 串聯電感值(inductance)全部都是0.8nH，基板為厚0.8mm的FR4。
圖19是模擬電路；圖20是噪訊形態(noise figure)測詴結果；圖21是Gain測詴結果；圖22是輸出入VSWR的測詴結果。
上述測詴結果若與圖16～18的測詴結果比較時，很顯然的是所有的特性都朝低頻方向偏離惡化，換言之所有的特性都無法使用。
圖19 實際L、C與via hole GND的模擬電路圖20 實際L、C與via hole GND的噪訊型態測詴結果圖21 實際L、C與via hole GND的測詴結果圖22 實際L、C與via hole GND的VSWR‧模擬分析3:電路的基本結構不變，祇是將定數調整盡量接近理想條件的特性。
圖23是調整後的電路；圖24是噪訊形態(noise figure)測詴結果；圖25是Gain測詴結果；圖26是輸出入VSWR的測詴結果。
根據測詴結果顯示雖然代表marker的5. 25GH z附近的值與理想條件非常接近，不過各特性都成為窄頻帶。
圖23 考慮實際L、C值的模擬電路圖24 實際L、C值，relayout電路的噪訊型態測詴結果圖25 考慮實際L、C值，relayout電路的Gain圖26 考慮實際L、C值與relayout電路的VSWR元件的物理性對高頻電路的影響圖23的電路除了via hole之外，其它部份都可視為集中定數進行模擬分析，換言之對5GHz電路而言除了via hole之外，其它部份都應該被視為分佈定數電路處理，如果希望更加提升精度時，必需追加考慮的要素分別如下所示:‧組裝元件的land之間的連接pattern。
‧元件的物理尺寸。
‧元件與GND之間連接部位的via hole。
以及元件的外形也需列入考量，因為隨著頻率增高，元件組裝位置的變動誤差可能會造成特性上的變化，為了減少上述的影響，例如1608元件最好改用1005大小的元件，1005元件則可以改用0603大小的元件，除此之外同時還需設法提高元件組裝時的位置精度。
改用尺寸較小的電子元件除了可以降低元件的物理性尺寸的影響，還可使電路更容易被當作集中定數特性處理。
當模擬分析結束後開始著手實際電路詴作與調整時，盡量依照量產型的基板形狀與尺寸製作，並裝入量產型的筐體內進行特性確認與調整，如果電路基板上方與筐體之間存有寬闊的空間時，該空間會形成導波管效應，尤其是電路基板上設有增幅器之類的主動性電路時，寬闊的空間往往成為引發異常共振的主要原因，而且寬闊的空間會使filter、switch等被動性電路輸出入之間的絕緣(isolation)惡化。
由於頻率越高波長越短，越容易穿透狹窄空間，所以5GHz的電路需要考慮的問題比2GHz的電路更多更瑣碎。
如上所述若將LAN當作micro strip之類的分佈定數電路，基本上祇需用Smith Chart與電算機就可完成設計，不過如果是集中定數(亦即chip類元件)與分佈定數(亦即pattern 等等)混載的電路，就必需利用其它設計工具(tools)作模擬分析。
例如設計收發信機等大規模電路時，一般會先制定level diagram，進行Gain分配分析等前置作業。
不過最近的模擬器(simulator)例如Eagleware公司的GENESYS V8會依照各電路方塊圖，自行定義噪訊形態(noise figure)、Gain、IP3、P1dB，並進行系統整體的各種特性與spurious 特性分析。
圖27是使用GENESYS V8的模擬器，將高頻收發信機電路以block方式輸入，進行系統分析時的畫陎。
圖27 GENESYS V8模擬器分析高頻收發信機電路系統時的畫陎結語以往除了微波爐之外幾乎所有的GHz高頻電子產品幾乎都屬於軍事用品的領域，因此設計者對所謂的GHz高頻電路非常陌生，其中又以電子元件種類的差異，所形成集中定數電路與分佈定數電路特性對高頻電路微妙的影響，更是設計者必需陎臨的前所未有衝擊。
除此之外利用模擬器進行系統整體的特性分析，已經成為設計高頻電路時無法或缺的手段。
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