全面詳解射頻技術(shù)原理電路及設(shè)計(jì)電路

射頻(RF)技術(shù)—基本介紹

RF(Radio Frequency)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如：電視、廣播、移動(dòng)電話、雷達(dá)、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等。專用詞RFID(射頻識(shí)別)即指應(yīng)用射頻識(shí)別信號(hào)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別。RFID的應(yīng)用包括：

● ETC(電子收費(fèi))

● 鐵路機(jī)車車輛識(shí)別與跟蹤

● 集裝箱識(shí)別

● 貴重物品的識(shí)別、認(rèn)證及跟蹤

● 商業(yè)零售、醫(yī)療保健、后勤服務(wù)等的目標(biāo)物管理

● 出入門禁管理

● 動(dòng)物識(shí)別、跟蹤

● 車輛自動(dòng)鎖死(防盜)

RF(射頻)專指具有一定波長(zhǎng)可用于無線電通信的電磁波。電磁波可由其頻率表述為：KHz(千赫)，MHz(兆赫)及GHz(千兆赫)。其頻率范圍為VLF(極低頻)也即10-30KHz至EHF(極高頻)也即30-300GHz。

RFID是一項(xiàng)易于操控，簡(jiǎn)單實(shí)用且特別適合用于自動(dòng)化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)，其所具備的獨(dú)特優(yōu)越性是其它識(shí)別技術(shù)無法企及的。它既可支持只讀工作模式也可支持讀寫工作模式，且無需接觸或瞄準(zhǔn);可自由工作在各種惡劣環(huán)境下;可進(jìn)行高度的數(shù)據(jù)集成。另外，由于該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使RFID具備了極高的安全防護(hù)能力。

從概念上來講，RFID 類似于條碼掃描，對(duì)于條碼技術(shù)而言，它是將已編碼的條形碼附著于目標(biāo)物并使用專用的掃描讀寫器利用光信號(hào)將信息由條形磁傳送到掃描讀寫器;而RFID則使用專用的RFID讀寫器及專門的可附著于目標(biāo)物的RFID單元，利用RF信號(hào)將信息由RFID單元傳送至RFID讀寫器。

RFID單元中載有關(guān)于目標(biāo)物的各類相關(guān)信息，如：該目標(biāo)物的名稱，目標(biāo)物運(yùn)輸起始終止地點(diǎn)、中轉(zhuǎn)地點(diǎn)及目標(biāo)物經(jīng)過某一地的具體時(shí)間等，還可以載入諸如溫度等指標(biāo)。RFID單元，如標(biāo)簽、卡等可靈活附著于從車輛到載貨底盤的各類物品。

RFID技術(shù)所使用的電波頻率為50KHz-5.8GHz，如圖一所示，一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)一般包括以下幾個(gè)部份：

● 一個(gè)載有目標(biāo)物相關(guān)信息的RFID單元(應(yīng)答機(jī)或卡、標(biāo)簽等)

● 在讀寫器及RFID單元間傳輸RF信號(hào)的天線

● 一個(gè)產(chǎn)生RF信號(hào)的RF收發(fā)器(RF transceiver)

● 一個(gè)接收從RFID單元上返回的RF信號(hào)并將解碼的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)以供處理的讀寫器。

● 天線、讀寫器、收發(fā)器及主機(jī)可局部或全部集成為一個(gè)整體，或集成為少數(shù)的部件。不同制造商有各自不同的集成方法。

(在以上基本配置之外，還應(yīng)包括相應(yīng)的應(yīng)用軟件)

射頻技術(shù)—典型的射頻電路

射頻電路最主要的應(yīng)用領(lǐng)域就是無線通信，圖1為一個(gè)典型的無線通信系統(tǒng)的框圖，下面以這個(gè)系統(tǒng)為例分析射頻電路在整個(gè)無線通信系統(tǒng)中的作用。

這是一個(gè)無線通信收發(fā)機(jī)(《span》tranceiver)的系統(tǒng)模型，它包含了發(fā)射機(jī)電路、接收機(jī)電路以及通信天線。這個(gè)收發(fā)機(jī)可以應(yīng)用于個(gè)人通信和無線局域網(wǎng)絡(luò)中。在這個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)字處理部分主要是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，包括采樣、壓縮、編碼等;然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器變成模擬形式進(jìn)入模擬信號(hào)電路單元。

射頻技術(shù)—電路的組成和特點(diǎn)

下面，將針對(duì)圖方框圖中的低噪聲放大器(LNA)討論一般射頻電路的組成和特點(diǎn)。

上圖給出了這個(gè)放大器的電路板圖， 注意到輸入信號(hào)是通過一個(gè)經(jīng)過匹配濾波網(wǎng)絡(luò)輸入放大模塊。放大模塊一般采用晶體管的共射極結(jié)構(gòu)，其輸入阻抗必須與位于低噪聲放大器前面的濾波器的輸出阻抗 相匹配，從而保證最佳傳輸功率和最小反射系數(shù)，對(duì)于射頻電路設(shè)計(jì)來說，這種匹配是必須的。此外，低噪聲放大器的輸出阻抗必須與其后端的混頻器輸入阻抗相匹 配，同樣能保證放大器輸出的信號(hào)能完全、無反射的輸入到混頻器中去。這些匹配網(wǎng)絡(luò)是由微帶線組成，在有些時(shí)候也可能由獨(dú)立的無源器件組成，但是它們?cè)诟哳l 情況下的電特性與在低頻的情況下完全不同。圖上還可以看出微帶線實(shí)際上是一定長(zhǎng)度和寬度的敷銅帶，與微帶線連接的是片狀電阻、電容和電感。

射頻技術(shù)—電路的功率和增益

增益、噪聲和非線性是描述射頻電路最常用的指標(biāo)。在射頻和微波系統(tǒng)中，由于反射的普遍存在和理想的短路、開路難以獲得，低頻電路中常用的電壓和電流參數(shù)的測(cè)量變得十分困難，因此，功率的測(cè)量得到了廣泛的應(yīng)用。并且，傳統(tǒng)的射頻和微波電路使用分立元件和傳輸線構(gòu)成，電路的輸入、輸出通常需要匹配到一個(gè)系統(tǒng)阻抗(50?或75?)。由于上面兩個(gè)原因，電路的性能指標(biāo)，如增益、噪聲、非線性等，都可以通過功率表示出來

為了計(jì)算方便，在射頻和微波工程中常用功率強(qiáng)度對(duì)數(shù)的形式來表示功率，dBm是信號(hào)功率相對(duì)于1mW的對(duì)數(shù)值。

有了功率的定義，現(xiàn)在開始討論射頻系統(tǒng)中的一個(gè)重要指標(biāo)：增益。在射頻系統(tǒng)中考慮的功率指的是功率增益，這與電壓增益很容易產(chǎn)生混淆。此外，在射頻系統(tǒng)中，同樣存在多種功率的定義，當(dāng)匹配電路存在時(shí)，可以定義以下功率：

PL：負(fù)載獲得的功率

Pin：電路的輸入功率

Pavs：信號(hào)源能提供的最大功率

Pavn：電路能提供的最大功率

相應(yīng)的，可以定義三種功率：一般功率增益Gp、轉(zhuǎn)化功率增益GT和資用增益GA，它們由下列公式給出。

射頻技術(shù)—電路設(shè)計(jì)方法

無線發(fā)射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個(gè)部份?；l包含發(fā)射器的輸入信號(hào)之頻率范圍，也包含接收器的輸出信號(hào)之頻率范圍?；l的頻寬決定了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動(dòng)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(jì)基頻電路時(shí)，需要大量的信號(hào)處理工程知識(shí)。發(fā)射器的射頻電路能將已處理過的基頻信號(hào)轉(zhuǎn)換、升頻至指定的頻道中，并 將此信號(hào)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(hào)，并轉(zhuǎn)換、降頻成基頻。

發(fā)射器有兩個(gè)主要的PCB設(shè)計(jì)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(yùn)作。就接收器而言，有三個(gè)主要的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)：首先，它們必須準(zhǔn)確地還原小信號(hào);第二，它們必須能去除期望頻道以外的干擾信號(hào);最后一點(diǎn)與發(fā)射器一 樣，它們消耗的功率必須很小。

射頻技術(shù)—仿真之大的干擾信號(hào)

接收器必須對(duì)小的信號(hào)很靈敏，即使有大的干擾信號(hào)(阻擋物)存在時(shí)。這種情況出現(xiàn)在嘗試接收一個(gè)微弱或遠(yuǎn)距的發(fā)射信號(hào)，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(hào)可能比期待信號(hào)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(hào)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(gè)問題就會(huì)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(jì)接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。由于接收器是窄頻電路，所以非線性是以測(cè)量“交調(diào)失真 (intermodulaTIon distorTIon)”來統(tǒng)計(jì)的。這牽涉到利用兩個(gè)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(dòng)輸入信號(hào)，然后再測(cè)量其交互調(diào)變的乘積。大體而言，SPICE是一種耗時(shí)耗成本的仿真軟件，因?yàn)樗仨殘?zhí)行許多次的循環(huán) 運(yùn)算以后，才能得到所需要的頻率分辨率，以了解失真的情形。

射頻技術(shù)—電路仿真之小的期望信號(hào)

接收器必須很靈敏地偵測(cè)到小的輸入信號(hào)。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(jì)接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。而且，具備以仿真工具來預(yù)測(cè)噪聲的能力是不 可或缺的。附圖一是一個(gè)典型的超外差(superheterodyne)接收器。接收到的信號(hào)先經(jīng)過濾波，再以低噪聲放大器(LNA)將輸入信號(hào)放大。然 后利用第一個(gè)本地振蕩器(LO)與此信號(hào)混合，以使此信號(hào)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(duì)于混合器和LO而言，它卻是無用的，因?yàn)樵谶@些區(qū)塊中的噪聲，會(huì) 被很大的LO信號(hào)嚴(yán)重地影響。

小的輸入信號(hào)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(hào)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(gè)頻率里，以減少耦合的機(jī)率。這也使得第一個(gè)LO的頻率與輸入信號(hào)的頻率不同，可以防止大的干擾信號(hào)“污染”到小的輸入信號(hào)。

因?yàn)椴煌睦碛桑谝恍o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(hào)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(hào)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(hào)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。

射頻技術(shù)—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(hào)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(zhǎng) (spectral regrowth)”。在信號(hào)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(huì)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(hào)時(shí)，實(shí)際上，是無法用SPICE來預(yù)測(cè)頻譜的再成長(zhǎng)。因?yàn)榇蠹s有1000個(gè)數(shù)字符號(hào) (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(shí)際。