如何設計射頻電路及其PCB Layout

2021-08-20 20:40:26 字數 2117 閱讀 9779

射頻電路**之射頻的介面

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訊號之頻率範圍,也包含接收器的輸出訊號之頻率範圍。基頻的頻寬決定了資料在系統中可流動的基本速率。基頻是用來改善資料流的可靠度,並在特定的資料傳輸率之下,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,需要大量的訊號處理工程知識。發射器的射頻電路能將已處理過的基頻訊號轉換、公升頻至指定的頻道中,並將此訊號注入至傳輸**中。相反的,接收器的射頻電路能自傳輸**中取得訊號,並轉換、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訊號;第二,它們必須能去除期望頻道以外的干擾訊號;最後一點與發射器一樣,它們消耗的功率必須很小。

射頻電路**之大的干擾訊號

接收器必須對小的訊號很靈敏,即使有大的干擾訊號(阻擋物)存在時。這種情況出現在嘗試接收乙個微弱或遠距的發射訊號,而其附近有強大的發射器在相鄰頻道中廣播。干擾訊號可能比期待訊號大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雜訊量,來阻斷正常訊號的接收。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設計接收器時的乙個重要考慮因素。由於接收器是窄頻電路,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,並位於中心頻帶內(in band)的正弦波或余弦波來驅動輸入訊號,然後再測量其互動調製的乘積。大體而言,spice是一種耗時耗成本的**軟體,因為它必須執行許多次的迴圈運算以後,才能得到所需要的頻率解析度,以了解失真的情形。

射頻電路**之小的期望訊號

接收器必須很靈敏地偵測到小的輸入訊號。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雜訊所限制。因此,雜訊是pcb設計接收器時的乙個重要考慮因素。而且,具備以**工具來**雜訊的能力是不可或缺的。附圖一是乙個典型的超外差(superheterodyne)接收器。接收到的訊號先經過濾波,再以低雜訊放大器(lna)將輸入訊號放大。然後利用第乙個本地振盪器(lo)與此訊號混合,以使此訊號轉換成中頻(if)。前端(front-end)電路的雜訊效能主要取決於lna、混合器(mixer)和lo。雖然使用傳統的spice雜訊分析,可以尋找到lna的雜訊,但對於混合器和lo而言,它卻是無用的,因為在這些區塊中的雜訊,會被很大的lo訊號嚴重地影響。

小的輸入訊號要求接收器必須具有極大的放大功能,通常需要120 db這麼高的增益。在這麼高的增益下,任何自輸出端耦合(couple)回到輸入端的訊號都可能產生問題。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裡,以減少耦合的機率。這也使得第乙個lo的頻率與輸入訊號的頻率不同,可以防止大的干擾訊號「汙染」到小的輸入訊號。

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,射頻輸入訊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與輸入訊號的頻率相同。在這種情況下,必須了解少量耦合的影響力,並且必須建立起「雜散訊號路徑(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。

射頻電路**之相鄰頻道的干擾

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,可能使傳送訊號的頻寬散布於相鄰的頻道中。這種現象稱為「頻譜的再成長(spectral regrowth)」。在訊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。當傳送數字調製訊號時,實際上,是無法用spice來**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**,以求得代表性的頻譜,並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。

參考資料:

射頻電路板設計

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