台湾佬娱乐网

PCB設計中射頻接口和射頻電路的特性

time : 2019-08-29 09:21       作者:凡億pcb

射頻電路(RF circuit)的許多特殊特性,很難用簡短的幾句話來說明,也無法使用傳統的模擬仿真軟件來分析,譬如SPICE。不過,目前市面上有一些EDA軟件具有諧波平衡(harmonic balance)、投射法(shooting method)…等復雜的算法,可以快速和準確地仿真射頻電路。但在學習這些EDA軟件之前,必須先了解射頻電路的特性,尤其要了解一些專有名詞和物理現象的意義,因為這是射頻工程的基礎知識。
 
射頻的界面
無線發射器和接收器在概念上,可分為基頻與射頻兩個部份。基頻包含發射器的輸入信號之頻率范圍,也包含接收器的輸出信號之頻率范圍。基頻的頻寬決定了數據在系統中可流動的基本速率。基頻是用來改善數據流的可靠度,并在特定的數據傳輸率之下,減少發射器施加在傳輸媒介(transmission medium)的負荷。因此,PCB設計基頻電路時,需要大量的信號處理工程知識。發射器的射頻電路能將已處理過的基頻信號轉換、升頻至指定的頻道中,并將此信號注入至傳輸媒體中。相反的,接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得信號,并轉換、降頻成基頻。
 
發射器有兩個主要的PCB設計目標:第一是它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下,發射特定的功率。第二是它們不能干擾相鄰頻道內的收發機之正常運作。就接收器而言,有三個主要的PCB設計目標:首先,它們必須準確地還原小信號;第二,它們必須能去除期望頻道以外的干擾信號;最后一點與發射器一樣,它們消耗的功率必須很小。
 
小的期望信號
接收器必須很靈敏地偵測到小的輸入信號。一般而言,接收器的輸入功率可以小到1 μV。接收器的靈敏度被它的輸入電路所產生的噪聲所限制。因此,噪聲是PCB設計接收器時的一個重要考慮因素。而且,具備以仿真工具來預測噪聲的能力是不可或缺的。附圖一是一個典型的超外差(superheterodyne)接收器。接收到的信號先經過濾波,再以低噪聲放大器(LNA)將輸入信號放大。然后利用第一個本地振蕩器(LO)與此信號混合,以使此信號轉換成中頻(IF)。前端(front-end)電路的噪聲效能主要取決于LNA、混合器(mixer)和LO。雖然使用傳統的SPICE噪聲分析,可以尋找到LNA的噪聲,但對于混合器和LO而言,它卻是無用的,因為在這些區塊中的噪聲,會被很大的LO信號嚴重地影響。
 
小的輸入信號要求接收器必須具有極大的放大功能,通常需要120 dB這么高的增益。在這么高的增益下,任何自輸出端耦合(couple)回到輸入端的信號都可能產生問題。使用超外差接收器架構的重要原因是,它可以將增益分布在數個頻率里,以減少耦合的機率。這也使得第一個LO的頻率與輸入信號的頻率不同,可以防止大的干擾信號“污染”到小的輸入信號。
 
因為不同的理由,在一些無線通訊系統中,直接轉換(direct conversion)或內差(homodyne)架構可以取代超外差架構。在此架構中,射頻輸入信號是在單一步驟下直接轉換成基頻,因此,大部份的增益都在基頻中,而且LO與輸入信號的頻率相同。在這種情況下,必須了解少量耦合的影響力,并且必須建立起“雜散信號路徑(stray signal path)”的詳細模型,譬如:穿過基板(substrate)的耦合、封裝腳位與焊線(bondwire)之間的耦合、和穿過電源線的耦合。
 
大的干擾信號
接收器必須對小的信號很靈敏,即使有大的干擾信號(阻擋物)存在時。這種情況出現在嘗試接收一個微弱或遠距的發射信號,而其附近有強大的發射器在相鄰頻道中廣播。干擾信號可能比期待信號大60~70 dB,且可以在接收器的輸入階段以大量覆蓋的方式,或使接收器在輸入階段產生過多的噪聲量,來阻斷正常信號的接收。如果接收器在輸入階段,被干擾源驅使進入非線性的區域,上述的那兩個問題就會發生。為避免這些問題,接收器的前端必須是非常線性的。
 
因此,“線性”也是PCB設計接收器時的一個重要考慮因素。由于接收器是窄頻電路,所以非線性是以測量“交調失真(intermodulation distortion)”來統計的。這牽涉到利用兩個頻率相近,并位于中心頻帶內(in band)的正弦波或余弦波來驅動輸入信號,然后再測量其交互調變的乘積。大體而言,SPICE是一種耗時耗成本的仿真軟件,因為它必須執行許多次的循環運算以后,才能得到所需要的頻率分辨率,以了解失真的情形。
 
相鄰頻道的干擾
失真也在發射器中扮演著重要的角色。發射器在輸出電路所產生的非線性,可能使傳送信號的頻寬散布于相鄰的頻道中。這種現象稱為“頻譜的再成長(spectral regrowth)”。在信號到達發射器的功率放大器(PA)之前,其頻寬被限制著;但在PA內的“交調失真”會導致頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多,發射器將無法符合其相鄰頻道的功率要求。當傳送數字調變信號時,實際上,是無法用SPICE來預測頻譜的再成長。因為大約有1000個數字符號(symbol)的傳送作業必須被仿真,以求得代表性的頻譜,并且還需要結合高頻率的載波,這些將使SPICE的瞬態分析變得不切實際。