射頻電路仿真必讀:PCB射頻電路四大基礎特性
發布時間:2013-07-10 來源:電子元件技術網 責任編輯:Cynthiali
【導讀】隻有具有諧波平衡、投射法等複雜算法的EDA軟件,才能快速和準確地仿真射頻電路。但使用這些EDA軟件的前提,是必須先了解射頻電路的特性。本文從射頻界麵、小的期望信號、大的幹擾信號、相鄰頻道的幹擾四個方麵解讀射頻電路四大基礎特性,並給出了在PCB設計過程中射頻電路需要特別注意的重要因素。
本文從射頻界麵、小的期望信號、大的幹擾信號、相鄰頻道的幹擾四個方麵解讀射頻電路四大基礎特性,並給出了在PCB設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麵
wuxianfasheqihejieshouqizaigainianshang,kefenweijipinyushepinlianggebufen。jipinbaohanfasheqideshuruxinhaozhipinlvfanwei,yebaohanjieshouqideshuchuxinhaozhipinlvfanwei。jipindepinkuanjuedingleshujuzaixitongzhongkeliudongdejibensulv。jipinshiyonglaigaishanshujuliudekekaodu,bingzaitedingdeshujuchuanshulvzhixia,jianshaofasheqishijiazaichuanshumeijie(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,並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,並轉換、降頻成基頻。
發射器有兩個主要的PCB設計目標:第(di)一(yi)是(shi)它(ta)們(men)必(bi)須(xu)盡(jin)可(ke)能(neng)在(zai)消(xiao)耗(hao)最(zui)少(shao)功(gong)率(lv)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),發(fa)射(she)特(te)定(ding)的(de)功(gong)率(lv)。第(di)二(er)是(shi)它(ta)們(men)不(bu)能(neng)幹(gan)擾(rao)相(xiang)鄰(lin)頻(pin)道(dao)內(nei)的(de)收(shou)發(fa)機(ji)之(zhi)正(zheng)常(chang)運(yun)作(zuo)。就(jiu)接(jie)收(shou)器(qi)而(er)言(yan),有(you)三(san)個(ge)主(zhu)要(yao)的(de)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幹擾信號;最後一點與發射器一樣,它們消耗的功率必須很小。
射頻電路仿真之大的幹擾信號
接收器必須對小的信號很靈敏,即使有大的幹擾信號(阻擋物)存(cun)在(zai)時(shi)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)出(chu)現(xian)在(zai)嚐(chang)試(shi)接(jie)收(shou)一(yi)個(ge)微(wei)弱(ruo)或(huo)遠(yuan)距(ju)的(de)發(fa)射(she)信(xin)號(hao),而(er)其(qi)附(fu)近(jin)有(you)強(qiang)大(da)的(de)發(fa)射(she)器(qi)在(zai)相(xiang)鄰(lin)頻(pin)道(dao)中(zhong)廣(guang)播(bo)。幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)可(ke)能(neng)比(bi)期(qi)待(dai)信(xin)號(hao)大(da)60~70 dB,且qie可ke以yi在zai接jie收shou器qi的de輸shu入ru階jie段duan以yi大da量liang覆fu蓋gai的de方fang式shi,或huo使shi接jie收shou器qi在zai輸shu入ru階jie段duan產chan生sheng過guo多duo的de噪zao聲sheng量liang,來lai阻zu斷duan正zheng常chang信xin號hao的de接jie收shou。如ru果guo接jie收shou器qi在zai輸shu入ru階jie段duan,被bei幹gan擾rao源yuan驅qu使shi進jin入ru非fei線xian性xing的de區qu域yu,上shang述shu的de那na兩liang個ge問wen題ti就jiu會hui發fa生sheng。為wei避bi免mian這zhe些xie問wen題ti,接jie收shou器qi的de前qian端duan必bi須xu是shi非fei常chang線xian性xing的de。
因此,“線性”也是PCB設計接收器時的一個重要考慮因素。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)的正弦波或餘弦波來驅動輸入信號,然後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後,才能得到所需要的頻率分辨率,以了解失真的情形。
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生的噪聲所限製。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。然後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於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,但對於混合器和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這麼高的增益。在這麼高的增益下,任何自輸出端耦合(couple)回hui到dao輸shu入ru端duan的de信xin號hao都dou可ke能neng產chan生sheng問wen題ti。使shi用yong超chao外wai差cha接jie收shou器qi架jia構gou的de重zhong要yao原yuan因yin是shi,它ta可ke以yi將jiang增zeng益yi分fen布bu在zai數shu個ge頻pin率lv裏li,以yi減jian少shao耦ou合he的de機ji率lv。這zhe也ye使shi得de第di一yi個geLO的頻率與輸入信號的頻率不同,可以防止大的幹擾信號“汙染”到小的輸入信號。
因為不同的理由,在一些無線通訊係統中,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,並且必須建立起“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。
射頻電路仿真之相鄰頻道的幹擾
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於相鄰的頻道中。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,其頻寬被限製著;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,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。
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