高频宽带AGC系统电路PCB设计

李飚 刘春群

摘  要：为了使高频宽带AGC系统电路达到各项设计指标要求，文章根据电磁兼容和阻抗匹配理论，结合本系统电路的特点，对系统硬件电路的基板选取、电磁兼容和阻抗匹配进行设计。通过分析对比，基板选取低型PTFE树脂基板。从接地、布局布线、去耦合和旁路、寄生天线等几方面来进行AGC系统的PCB电磁兼容设计。采用纯电阻阻抗匹配网络和传输线变压器匹配器来实现传输匹配。测试结果显示AGC系统电路各项指标均符合设计要求，表明AGC系统电路PCB的设计是合理有效的。

关键词：AGC系统;电磁兼容;阻抗匹配;PCB设计

中图分类号：TN702     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）35-0065-03

系统电路原理的设计只是系统在原理上实现所能达到的理论性能，在进行系统硬件设计时必须考虑基板板材、电磁兼容、传输阻抗匹配等诸多因素的影响，如果不对这些因素加以考虑，系统的实际性能就会受到影响，有时甚至使系统实际性能无法满足设计要求[1]，尤其是对工作于高频和宽带的系统。因此，在对工作于接收机射频前端的高频宽带自动增益控制（Automatic gain control，简称AGC）系统硬件电路进行设计时必须对这些因素加以考虑。

本设计的主要设计指标：频率范围900～990 MHz;输入信号功率动态范围：-50～10 dBm;输出信号功率平坦度：≤±3dB。下面主要就基板板材、电磁兼容、传输阻抗匹配等几个方面展开讨论如何对本AGC系统硬件电路进行PCB设计。

1  PCB基板的选取

为了实现高速、高质量传输信号，高频电路对PCB基板的特性要求主要有三大方面[1]：①对信号具有传输损失小、传输延迟短、信号失真小;②具有优良、稳定的介电特性;③特性阻抗Z0高精度可控制，高频微波PCB基板的传输特性阻抗Z0直接影响着信号的传输质量。要满足上述三大特性要求，则PCB基板必须具备低相对介电常数εr和低介质损失因素tanδ。

不同基板材料在不同频率下的相对介电常数εr和介质tanδ损失因素的变化情况如图1和图2所示。不同基板材料在不同温度下的相对介电常数εr和介质tanδ损失因素的变化情况[2～3]如图3和图4所示。

选择高频电路PCB板材要从基板的基本电性能、应用加工性能、和成本三方面入手。根据台湾PCB业界统计，当前PCB的制造成本占电子产品成品的8%～12%，甚至超过12%[2]。因此，综合成本、不同材料基板的介电特性（相对介电常数εr和介质tanδ损失因素）和应用加工性能三方面考虑，本设计选取低εr型PTFE树脂基板材料板材来进行设计。

2  PCB的电磁兼容设计

微波系统电路的PCB设计与低频电路有很大的区别，主要是微波电路较易受电磁干扰和存在传输损耗等因素的影响，设计时如果对这些方面不加以综合考虑，设计结果将很难达到系统性能指标的要求。因此，本节主要对电磁兼容（主要是电磁干扰）展开讨论。下面将结合本设计从接地、布局布线、去耦合和旁路、寄生天线等几方面来讨论自动增益控制系统的PCB电磁兼容设计。

2.1  接地设计

理想的地是没有阻抗的，各接地点之间没有电位差，只是起到信号回路的作用。但是实际的地都会有阻抗，所以各接地点之间都不可避免的存在电位差，这些电位不同的接地点就构成地环路，当其中有交变磁场通过时就会产生环路电流，这些环路电流叠加在有用信号上形成干扰。所以，接地设计要从消除地环路或减小地环路面积方面进行考虑[3]。

本自动增益控制系统主要分为三大版块：电源、控制环路和微波通路。根据地环路干扰和天线效应形成原理，电源、控制环路采用单点接地方式，微波通路采用多点就近接地方式，使地环路面积尽可能的小和接地线都尽可能的短宽。PCB底面作为整个地面，同时要避免在地面上开槽形成间隙。

2.2  元器件的选择和布局布线设计

微波频段的电路在选取电路元件时要考虑寄生参数对系统性能的影响，要尽可能的减少电路元件的寄生参数。贴片封装元器件在减少寄生参数方面比其他封装形式的元器件要好，故本设计所有电容、电阻、电感、变压器、功分器采都用0402、0603、0805贴片封装元件，集成芯片全部选用贴片封装。

为缩短元器件间的引线以减小分布参数、传输损耗、干扰等，元器件主要按电路功能划分版块，围绕核心芯片布局，尽量均匀排列、紧凑、整齐，并与信号传输方向保持一致。

对高频电路布线时主要从避免电路产生电磁辐射、串扰和保持低阻抗等方面考虑。因此，在布线设计时要遵循下列原则：信号线、地线、电源线要尽可能的短宽、线宽线距保持均匀，信号线避免长距离走线、开叉、弯折和相交;同时信号线用地线进行屏蔽，防止其受到干扰;信号线间距要遵循3 W原则（线间距为线宽的3倍），一般线路至少要遵循2 W原则（线间距为线宽的2倍）;当线路拐弯不可避免时线路不允许有拐角小于等于90 °，拐角应取145 °或圆弧形，圆弧形弯角半径要大于2 mm[1～234][6]。

2.3  去耦合和旁路

为防止射频能量从一个电路转移入另一个电路中，采取去耦合和旁路是较为有效的方法，主要是在电源和集成芯片各电源端采取去藕合和旁路设计。结合本设计大带宽的要求，设计时为了减小分布参数降低噪声和适应大带宽的要求，在电源及芯片各电源端处采用电容值相差两个数量级以上的去耦电容，同时在每个钽电解电容附近旁加一个小电容值的高频旁路电容，这些电容都尽量靠近芯片放置。

2.4  寄生天线

由于寄生天线的存在，电子设备或系统才会产生电磁辐射干扰。关于基本天线结构的示意图如图5所示，只要存在电流环路或者两个电压驱动的互相靠近的导体就可以构成天线。当天线中有交变电流通过时就会向外产生电磁辐射，形成电磁干扰源，而天线的尺寸为波长的λ/4时这种辐射将变得更加明显[1][4]。

可见，同时具备天线结构和通过天线的交变电流是产生电磁辐射干扰的两个必要因素，为消除或减小电磁辐射就必须从这两个因素入手。

本设计在设计时主要注意下面几个方面：避免孤立未良好接地导体的存在，如孤立铜皮、导线等;PCB的表面敷铜要保证良好接地;尽最大限度的减少布线时形成的环路通路的面积。

3  阻抗匹配设计

根据射频微波电路理论，要使信号能够从输入端沿着传输线顺利的传输到接收端且被接收端完全吸收而不被反射，传输线的阻抗就必须满足与输入端和输出端阻抗相等，即要满足阻抗匹配要求。

阻抗匹配网络的设计方法主要有：集总参数匹配、分布参数匹配和变压器匹配等。集总参数匹配网络可分为无损耗匹配网络和有损耗匹配网络。无损耗匹配网络由L、C无耗元件构成，LC匹配网络虽然没有损耗，但是只适用于窄带网络匹配，而不适用于宽带，而且随着频率的增大分布参数效应也越明显。由纯电阻组成的有损匹配网络近似和频率无关，因此可以满足大带宽系统的阻抗匹配要求，但会带来平均11.5 dB的损耗[5]。分布参数匹配器主要是传输线匹配器，传输线阻抗变换器具有结构简单、转换效率高的特点，但是在频率不够高时的波长结构尺寸（例如λ/4波长）比较大，比如1 GHz频率时的λ/4波长结构尺寸大约为10 cm，这显然不利于设备的小型化要求。传输线变压器匹配器是用传输线缠绕在变压器磁芯上而制成，它具有集总参数变压器和传输线的优点，通频带宽可以做得比较宽[6]。

综合上述分析，结合本设计电路的特点，本设计采用纯电阻阻抗匹配网络和传输线变压器匹配器来实现传输匹配。

4  硬件测试

系统硬件电路的PCB设计是否合理有效，最行之有效的方法是按照各项设计指标要求来进行指标测试，看测试结果是否符合设计指标的要求。下面就根据设计指标要求来进行测试验证：把信号发生器输出的信号输入到系统电路，用频谱仪来观测AGC系统输出信号的频谱和功率。如图6所示，在输入信号为900 MHz，功率为-30 dBm时，用频谱仪测得输出信号功率为-17.17 dBm。在其他频点上的测试结果，见表1。

根据测试结果可知，在60 dB输入动态范围内和900～990 MHz频段，AGC系统输出信号功率平坦度为≤±1.5dB，输出能保持稳定。

5  结  语

测试结果显示，AGC系统电路各项指标均符合设计要求。表明AGC系统电路PCB的设计是合理有效的。但输出信号平坦度在90 MHz带宽范围内还不够理想，特别是在高频点处和低输入信号功率点处的平坦度明显变差，为此，可以考虑进一步改进阻抗匹配和提高电磁兼容性，以及放入金属腔体进行屏蔽等措施来进一步改善。

参考文献：

[1] 姜雪松，王鹰.电磁兼容与PCB设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 祝大同.高速、高频PCB用基板材料评价与选择[J].印制电路信息，

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[3] 贺育方.高频基板材料之最新发展[A].第八届中国覆铜板市场技术   研讨会文集[C].2007.

[4] 林金堵，吴梅珠.PCB的低介电性能要求与发展[J].印制电路信息，

2010，（5）.

[5] 郭银景，吕文红，唐富华，等.电磁兼容原理及应用教程[M].北京：清华

大学出版社，2004.

[6] 黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践[M].北京：电子工业出版   社，2009.

[7] 张志刚.90dB大动态范围可控自动增益控制系统及其在雷达远程   测量平台中的应用[D].上海：上海交通大学，2009.

[8] 朱昌平，范新南，陈小刚，等.宽带阻抗匹配变压器的研究[J].仪器仪表   学报，2003，（4）.