如何將RF與數模電路設計在同一PCB上？

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/航空航天系統現需要采用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后，再與混合技術PCB的其余部分合并在一起的。這一過程的效率很低，而且為了與混合技術整合在一起，常常需要反復設計，還需要用到多個互不相關的數據庫。

在過去，設計功能在兩個設計環境進行和重復，并通過一個非智能的ASCII接口連接(圖1(a))。兩個環境中的PCB系統設計和RF專門設計系統有它們自己的庫、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設計師孤立于PCB系統設計中的其他部分進行RF電路的開發。然后該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，那么設計必須在獨立的RF解決方案中修正，然后再重新翻譯進主PCB。

RF模擬器只模擬了理想的射頻電路。在實際混合系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于混合信號電路板設計，但隨著產品中RF電路含量的增加，兩個獨立設計系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布局中面向層(layer-oriented)的結構，而PCB系統也必須理解RF設計環境中使用的參數化平面微波元件。

另一個關鍵問題是，PCB系統將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)。對當今的復雜RF系統設計來說，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設計是個反復的過程，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)。

圖1：(a) 傳統的RF設計流程；(b) 新的RF設計流程。

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設計后仍擁有一個良好的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)可重復進行，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，包含了地平面、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，由于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、演變和重利用，因此將整個電路作為一個整體來管理就變得至關重要，但在任何時候仍然把這些模塊作為單獨的電路元件進行存取。為了解決這個問題，原理圖和版圖工具必須擴展，以支持分層分組電路。通過這一方法，即使一個RF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，并可以連接到適當的RF設計小組進行分析。

下一個障礙是如何設計地平面。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電路更新后(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復綜合。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于網絡的工具間的通信，它在RF設計和系統級PCB設計間提供一個動態雙向鏈接(圖1(b))。為支持并行工程處理，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?，F在，可以采用RF設計工具來設計RF模塊，并在恰當時候將其綜合為系統級原理圖和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并模擬其效果。

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復，而沒有時間成本。此外，因為可以在真實系統級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。