高效能 PCB 的 RF 電路設計指南

當 PCB 走線不再像導線般運作時，RF 電路設計便由此開始。頻率超過數百 MHz 後，銅箔本身便具有阻抗、損耗及輻射特性。它成為需要設計的元件，而不再只是簡單繪製的連接線。原因在於波長。2.4 GHz Wi-Fi 訊號沿著 FR-4 微帶線傳播時，波長約為 70 mm，因此短短幾毫米的饋線已涵蓋相當比例的訊號週期。走線兩端的電壓不再相同。

圖 1：具有屏蔽無線電、50 Ω 饋線及導通孔圍欄的 RF PCB

每當走線寬度改變、出現導通孔或接地間隙時，部分訊號便會反射回訊號源。這就是為什麼使用相同原理圖製作的兩塊電路板，實際表現可能截然不同。本指南將介紹 RF 電路與傳統電路的差異，以及如何讓 RF PCB 維持可預測的性能。此外，也會說明何時應選用 Rogers 或 PTFE 層壓板材取代 FR-4，以及哪些製造公差會決定成品電路板能否符合模擬結果。

什麼是 RF 電路設計？

RF 電路設計是指設計及製作承載射頻訊號的電路，涵蓋次 GHz 頻段至毫米波雷達。其目標是讓每個訊號都能以已知阻抗、低損耗及最低洩漏量傳送至負載。在 PCB 上，銅箔幾何結構與層壓板材都是電路實際運作的一部分。

RF 電路與傳統電路有何不同？

傳統電路會將走線視為理想導線，因為訊號變化速度相較於訊號在電路板上的傳播時間較慢。當走線長度超過約十分之一波長時，這項假設便不再成立。在 FR-4 微帶線上傳輸 2.4 GHz 訊號時，波長約為 69 mm（2.7 英吋）。因此，任何長度超過約 7 mm（275 mil）的走線，都應視為傳輸線。

圖 2：2.4 GHz 下走線長度與波長的關係，以及導通孔中不易察覺的電感

寄生效應也是重要因素，因為每個實體元件都具有原理圖中未呈現的電感與電容。直徑 0.3 mm（12 mil）的導通孔穿過 1.6 mm（63 mil）厚的電路板時，會增加約 1.3 nH 的電感。在 2.4 GHz 下，這相當於訊號路徑中近 20 Ω 的串聯阻抗，單是這項影響就足以使匹配網路失諧。

RF 電路性能的關鍵要求

• 阻抗匹配，讓功率傳送至負載，而不是從負載反射回來。
• 低損耗，讓訊號通過電路板時仍能維持原有的雜訊底限。
• 隔離，讓能量維持在預定的訊號路徑中。

阻抗匹配通常以回波損耗衡量，用來比較反射功率與入射功率。大多數 RF 系統採用 50 Ω 標準阻抗，並以反射係數（S11）低於 -10 dB 為目標，代表反射回來的功率低於 10%。每個阻抗不連續點都會消耗部分容許裕量，因此在匹配網路發揮作用之前，電路板本身就必須維持 50 Ω 阻抗。

如何讓 RF PCB 維持可靠運作？

當每個 RF 訊號從訊號源到負載都維持一致阻抗，且正下方具有乾淨、連續的回流路徑時，RF PCB 才能可靠運作。這兩項條件都取決於幾何結構，因此必須在製板前透過佈局設計確定。

受控阻抗與訊號路徑

受控阻抗會根據介電質厚度及介電常數（Dk）設定走線寬度，讓整條傳輸線維持 50 Ω 阻抗。介電質厚度的影響最大，因此應先確定疊層結構。在兩層、厚度為 1.6 mm（63 mil）的 FR-4 電路板上，50 Ω 微帶線的寬度接近 3 mm（118 mil），遠大於 0402 匹配元件的焊盤尺寸。

圖 3：兩層及四層板上的 50 Ω 微帶線，以及接地共面波導的比較

直接的改善方法是減薄介電質。典型四層板疊層結構會將接地平面設置在頂層下方約 0.2 mm（8 mil）的位置，因此 50 Ω 走線只需要約 0.37 mm（15 mil）的線寬。在兩層板上，則可使用 接地共面波導 ，在訊號走線旁增加接地平面。此時，阻抗由兩側的間隙決定，而非由板厚決定。

接地、回流路徑與佈局

RF PCB 的接地設計，是指在每條 RF 走線正下方設置單一、連續的接地平面。四層板的 RF 區域應保持第二層接地平面完整。兩層板則以整個底層作為接地平面，因此應盡量避免在底層佈設訊號線。

圖 4：RF 佈局分區示意，包含完整接地平面、導通孔圍欄及屏蔽罩焊盤

RF 回流電流會沿著走線正下方的接地平面流動。這條路徑形成的迴路面積最小，因此電感也最低。佈局時還應將彼此容易產生干擾的電路分開。功率放大器、接收訊號鏈及數位邏輯應各自配置在不同區域，晶體振盪器也應遠離天線饋線。以下四種佈局錯誤最容易縮短 RF 通訊距離：

• 讓 RF 走線跨越接地平面分割區會迫使回流電流繞過間隙，因此必須確保整條訊號路徑下方的接地平面連續完整。
• 頂層接地銅箔未使用導通孔縫合會形成容易產生共振的孤立區域，因此導通孔縫合間距應控制在 λ/20 或更小；在 2.4 GHz 下，約為 3.4 mm（134 mil）。
• 旁路電容的接地導通孔距離焊盤太遠會增加電感並抵消電容的作用，因此應將導通孔設置在焊盤旁。
• 在模組天線附近鋪設銅箔會使天線失諧，因此必須保持模組天線禁佈區淨空。以 ESP32-WROOM-32E 為例，Espressif 建議在天線旁的板邊區域挖空，並保留至少 15 mm（591 mil）的寬度。

RF 電路設計的 PCB 材料選擇

層壓板材的選擇主要取決於兩項數值。Dk 決定走線尺寸與電氣長度，而耗散因數（Df）則決定有多少訊號能量會轉化為熱能。FR-4 在這兩方面的數值變動較大，因此真正需要考慮的是設計能夠容忍多大的變化。

何時應使用 Rogers PCB 材料？

Rogers RO4000 系列層壓板材屬於玻纖強化碳氫陶瓷材料，主要優勢在於低損耗。在 10 GHz 下，RO4350B 的 Df 約為標準 FR-4 的五分之一，可將每英吋（25.4 mm）走線的介電損耗由約 0.9 dB 降至 0.16 dB。

另一項原因是 Dk 的穩定性，因為濾波器、耦合器及天線的尺寸都是依照波長的一部分設計。RO4350B 的 Dk 可維持在 ±0.05 的範圍內，而 FR-4 則會因玻纖布規格及樹脂含量而有所變化。Rogers 也提供 3.66 的設計 Dk 供模擬使用，因此若濾波器以製程 Dk 3.48 進行繪製，實際頻率可能會低約 2%。在 5.8 GHz 下，這相當於超過 100 MHz。對於頻率高於約 3 GHz 的長距離走線，以及需要更佳散熱能力的功率放大器，Rogers 材料的成本便能發揮價值。

適用於高頻應用的 PTFE PCB

PTFE 層壓板材能進一步降低損耗，其 Dk 約介於 2.1 至 3.0，Df 約為 0.001 至 0.002。Rogers 也有生產 PTFE 材料，例如 RT/duroid 5880 與 RO3003，因此「Rogers」代表供應商品牌，而「PTFE」則代表材料化學組成。這類電路板常見於 24 GHz 與 77 GHz 雷達、衛星鏈路及天線陣列等應用；在這些場景中，FR-4 每英吋可能產生數 dB 的損耗。

然而，PTFE 低損耗的材料特性也使其製造難度較高。PTFE 材料柔軟且不易附著，因此在板廠使用電漿或鈉蝕刻處理鑽孔孔壁之前，電鍍層無法牢固附著於孔壁。即使板廠對 PTFE 的報價低於 RO4350B，每張訂單仍需要額外的製程處理。選用 PTFE 應以損耗預算為依據，而不是預設採用。在約 10 GHz 以下，碳氫化合物層壓板材通常已能提供大部分所需優勢，同時降低製造風險。這篇Rogers 與 PTFE 層壓板材比較 將這兩類材料並列說明。

平衡 RF 性能與可製造性

較理想的選擇，是在符合損耗與 Dk 預算的前提下，採用成本最低的層壓板材。對於具有短饋線的 2.4 GHz Bluetooth 或 Wi-Fi 電路板，FR-4 已經足夠，因為走線只會產生極少量的分貝損耗。這也是大多數 2.4 GHz 模組採用一般 FR-4 的原因。

圖 5：FR-4、RO4350B 與 PTFE 的介電損耗隨頻率變化比較

在原型製作方面，JLCPCB 的高頻 PCB 服務可使用 RO4350B 或 ZYF 系列 PTFE（Dk 2.55 至約 3.0）製作雙層板。RO4350B 核心板厚度提供 0.51、0.76 及 1.52 mm（20、30 及 60 mil）選項。對 RF 前端而言，雙層板已足夠，因為電路可設置於單一核心板上，並以完整接地平面作為參考。數位邏輯則可移至獨立的 FR-4 電路板。

PCB 製造如何影響 RF 電路性能？

模擬通常假設幾何結構完全理想，但實際製造的幾何尺寸都會存在公差。RF 性能取決於這兩者之間的差異，因此應優先控制對阻抗及電氣長度影響最大的參數。

維持走線、導通孔與疊層結構的精度

走線精度取決於蝕刻製程。蝕刻時，銅箔不只會向下移除，也會從側面被蝕刻，因此成品走線會比原始設計窄。以 0.508 mm（20 mil）厚的 RO4350B 製作 1.1 mm（43 mil）走線時，若尺寸誤差為 0.025 mm（1 mil），阻抗變化不到 1 Ω。若是 0.37 mm（15 mil）的 FR-4 走線，阻抗則會變化約 2 Ω，因為相同誤差所佔的走線寬度比例更大。

導通孔精度在 RF 晶片下方最為重要。無線電 IC 的裸露焊盤是主要 RF 接地端，並透過一組導通孔連接至接地平面。若導通孔未封孔，回流焊時焊錫可能會沿孔壁流失。這些空洞會在放大器最需要低電感接地的位置增加接地電感，因此應指定這些導通孔採用蓋油或填孔處理。

疊層結構的精度主要取決於介電質厚度，阻抗變化也與此參數最為相關。雙層 RF 電路板使用一張具有公開公差的固化核心板。以 0.508 mm（20 mil）厚的 RO4350B 為例，厚度公差約為 ±0.038 mm（1.5 mil）。多層板的半固化片會在壓合過程中流動，因此應根據板廠公布的疊層結構來選擇 PCB 厚度 。

控制阻抗與材料公差

阻抗公差通常為 ±10%，因此目標為 50 Ω 的走線，實際合格範圍為 45 至 55 Ω。這個公差範圍是不同製程步驟中多項細微誤差的總和，而每項誤差對走線的影響都不相同。

只有將公差要求提供給板廠，公差預算才有實際意義。請在製造圖面上註明目標阻抗、參考層及層壓板材名稱。對於多層板，應要求 RF 層提供 阻抗控制 ，讓板廠根據實際量測數據調整走線寬度。JLCPCB 目前尚未對雙層板提供此服務，因此雙層 RO4350B 走線應根據核心板厚度及 3.66 的設計 Dk 計算尺寸。

RF PCB 檢驗與品質管制

RF 電路板的檢驗從阻抗測試條開始。測試條會與電路板一同排列在同一塊拼板上，並使用相同製程進行蝕刻。板廠會依照 IPC-TM-650 方法 2.5.5.7，使用時域反射法（TDR）進行量測。這項測試可確認走線寬度、介電質厚度及 Dk 的綜合結果，但無法分別確認每個參數。它也無法反映濾波器的實際性能，因為測試條只能驗證直線走線。

圖 6：RF PCB 品質管制流程，從 TDR 測試條、金相切片到 VNA 量測

自動光學檢測（AOI）會透過攝影機比對蝕刻後的銅箔與設計資料，以找出走線寬度及間距誤差。金相切片則是將電路板切開並拋光，以檢查介電質厚度、銅厚及孔壁電鍍情況。最終結果則由組裝完成的電路板透過向量網路分析儀（VNA）確認。天線饋線上的 S11 可反映元件、焊錫及外殼均安裝後的實際回波損耗。如果未達到 -10 dB，即使電路板通過所有板廠檢查，仍可能需要在實驗室中重新調校。

RF 電路設計常見問題

結論

RF 電路設計需要特別注意 PCB 佈局，因為電路板本身會直接影響訊號性能。銅箔走線幾何結構、接地方式及元件配置都會影響阻抗、訊號損耗與電路之間的干擾。PCB 材料的選擇同樣重要，其介電特性及製造公差會決定成品電路板與原始設計的接近程度。

對大多數 2.4 GHz 應用而言，FR-4 仍是實用且具成本效益的選擇。隨著 5G 通訊、汽車雷達及其他高頻技術日益普及，選擇合適的 PCB 材料並維持受控阻抗變得更加重要。JLCPCB 提供採用 FR-4 及專用高頻材料的 RF PCB 製造服務，協助工程師製作符合性能需求的可靠電路板。