PCB射頻電路四大基礎(chǔ)特性

本文從射頻界面、小的期望信號、大的干擾信號、相鄰頻道的干擾四個方面解讀射頻電路四大基礎(chǔ)特性，并給出了在PCB設(shè)計過程中需要特別注意的重要因素。射頻電路仿真之射頻的界面無線發(fā)射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個部份?；l包含發(fā)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(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動的基本速率?；l是用來改善數(shù)據(jù)流的可靠度，并在特定的數(shù)據(jù)傳輸率之下，減少發(fā)射器施加在傳輸媒介(transmission medium)的負(fù)荷。因此，PCB設(shè)計基頻電路時，需要大量的信號處理工程知識。發(fā)射器的射頻電路能將已處理過的基頻信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換、降頻成基頻。發(fā)射器有兩個主要的PCB設(shè)計目標(biāo)：第一是它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下，發(fā)射特定的功率。第二是它們不能干擾相鄰頻道內(nèi)的收發(fā)機(jī)之正常運作。就接收器而言，有三個主要的PCB設(shè)計目標(biāo)：首先，它們必須準(zhǔn)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(fā)射器一樣，它們消耗的功率必須很小。射頻電路仿真之相鄰頻道的干擾失真也在發(fā)射器中扮演著重要的角色。發(fā)射器在輸出電路所產(chǎn)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(xiàn)象稱為“頻譜的再成長(spectral regrowth)”。在信號到達(dá)發(fā)射器的功率放大器(PA)之前，其頻寬被限制著；但在PA內(nèi)的“交調(diào)失真”會導(dǎo)致頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多，發(fā)射器將無法符合其相鄰頻道的功率要求。當(dāng)傳送數(shù)字調(diào)變信號時，實際上，是無法用SPICE來預(yù)測頻譜的再成長。因為大約有1000個數(shù)字符號(symbol)的傳送作業(yè)必須被仿真，以求得代表性的頻譜，并且還需要結(jié)合高頻率的載波，這些將使SPICE的瞬態(tài)分析變得不切實際。射頻電路仿真之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(chǎn)生的噪聲所限制。因此，噪聲是PCB設(shè)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(yù)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(jīng)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(zhuǎn)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(tǒng)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(qū)塊中的噪聲，會被很大的LO信號嚴(yán)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(chǎn)生問題。使用超外差接收器架構(gòu)的重要原因是，它可以將增益分布在數(shù)個頻率里，以減少耦合的機(jī)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(tǒng)中，直接轉(zhuǎn)換(direct conversion)或內(nèi)差(homodyne)架構(gòu)可以取代超外差架構(gòu)。在此架構(gòu)中，射頻輸入信號是在單一步驟下直接轉(zhuǎn)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(xì)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。射頻電路仿真之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(xiàn)在嘗試接收一個微弱或遠(yuǎn)距的發(fā)射信號，而其附近有強(qiáng)大的發(fā)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(chǎn)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(qū)使進(jìn)入非線性的區(qū)域，上述的那兩個問題就會發(fā)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(shè)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(diào)失真(intermodulation distortion)”來統(tǒng)計的。這牽涉到利用兩個頻率相近，并位于中心頻帶內(nèi)(in band)的正弦波或余弦波來驅(qū)動輸入信號，然后再測量其交互調(diào)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(zhí)行許多次的循環(huán)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。