宏碁|浅析PCB射频电路四大基础特性

宏碁|浅析PCB射频电路四大基础特性

射频简称RF 。 射频就是射频电流 , 它是一种高频交流变化电磁波的简称 。 每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流 , 大于10000次的称为高频电流 , 而射频就是这样一种高频电流 。 射频是指射频电路产生的特定频率的调制电波 。 射频电路是指从天线(ANT)到收、发基带信号(RXI/Q、TXI/Q)为止的这部分电路 。 本文从射频界面、小的期望信号、大的干扰信号、相邻频道的干扰四个方面解读射频电路4大基础特性 , 并给出了在PCB设计过程中需要特别注意的重要因素 。

一、射频电路仿真之射频的界面
无线发射器和接收器在概念上 , 可分为基频与射频两个部份 。 基频包含发射器的输入信号之频率范围 , 也包含接收器的输出信号之频率范围 。 基频的频宽决定了数据在系统中可流动的基本速率 。 基频是用来改善数据流的可靠度 , 并在特定的数据传输率之下 , 减少发射器施加在传输媒介(transmission medium)的负荷 。 因此 , PCB设计基频电路时 , 需要大量的信号处理工程知识 。 发射器的射频电路能将已处理过的基频信号转换、升频至指定的频道中 , 并将此信号注入至传输媒体中 。 相反的 , 接收器的射频电路能自传输媒体中取得信号 , 并转换、降频成基频 。
发射器有两个主要的PCB设计目标:第一是它们必须尽可能在消耗最少功率的情况下 , 发射特定的功率 。 第二是它们不能干扰相邻频道内的收发机之正常运作 。 就接收器而言 , 有三个主要的PCB设计目标:首先 , 它们必须准确地还原小信号;第二 , 它们必须能去除期望频道以外的干扰信号;最后一点与发射器一样 , 它们消耗的功率必须很小 。
二、射频电路仿真之大的干扰信号
接收器必须对小的信号很灵敏 , 即使有大的干扰信号(阻挡物)存在时 。 这种情况出现在尝试接收一个微弱或远距的发射信号 , 而其附近有强大的发射器在相邻频道中广播 。 干扰信号可能比期待信号大60~70 dB , 且可以在接收器的输入阶段以大量覆盖的方式 , 或使接收器在输入阶段产生过多的噪声量 , 来阻断正常信号的接收 。 如果接收器在输入阶段 , 被干扰源驱使进入非线性的区域 , 上述的那两个问题就会发生 。 为避免这些问题 , 接收器的前端必须是非常线性的 。
因此 , “线性”也是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素 。 由于接收器是窄频电路 , 所以非线性是以测量“交调失真(intermodulation distortion)”来统计的 。 这牵涉到利用两个频率相近 , 并位于中心频带内(in band)的正弦波或余弦波来驱动输入信号 , 然后再测量其交互调变的乘积 。 大体而言 , SPICE是一种耗时耗成本的仿真软件 , 因为它必须执行许多次的循环运算以后 , 才能得到所需要的频率分辨率 , 以了解失真的情形 。
三、射频电路仿真之小的期望信号
接收器必须很灵敏地侦测到小的输入信号 。 一般而言 , 接收器的输入功率可以小到1 μV 。 接收器的灵敏度被它的输入电路所产生的噪声所限制 。 因此 , 噪声是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素 。 而且 , 具备以仿真工具来预测噪声的能力是不可或缺的 。 附图一是一个典型的超外差(superheterodyne)接收器 。 接收到的信号先经过滤波 , 再以低噪声放大器(LNA)将输入信号放大 。 然后利用第一个本地振荡器(LO)与此信号混合 , 以使此信号转换成中频(IF) 。 前端(front-end)电路的噪声效能主要取决于LNA、混合器(mixer)和LO 。 虽然使用传统的SPICE噪声分析 , 可以寻找到LNA的噪声 , 但对于混合器和LO而言 , 它却是无用的 , 因为在这些区块中的噪声 , 会被很大的LO信号严重地影响 。