電路板設(shè)計中射頻接口和射頻電路的特性

射頻電路(RFcircuit)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(tǒng)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(harmonicbalance)、投射法(shootingmethod)…等復(fù)雜的算法，可以快速和準(zhǔn)確地仿真射頻電路。但在學(xué)習(xí)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(xiàn)象的意義，因為這是射頻工程的基礎(chǔ)知識。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。基頻包含發(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?；l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(transmissionmedium)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。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1μV。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120dB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(directconversion)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(straysignalpath)”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。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60~70dB，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(intermodulationdistortion)”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)(inband)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。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(spectralregrowth)”。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。