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如何设计射频电路

无线发射器和接收器在概念上分为两部分:基频和射频。基频包含发射器输入信号的频率范围以及接收器输出信号的频率范围。基频的带宽决定了数据流经系统的基本速率。基频用于提高数据流的可靠性并减少发送器在传输介质上施加的负载低于特定数据传输速率。

因此,在设计PCB的基带电路时,需要大量的信号处理工程知识。发射机的RF电路将处理后的基带信号转换,上变频和上变频到指定信道,并将该信号注入传输介质。相反,接收器的RF电路可以从传输介质获取信号,并将它们转换并下变频到基频。

变送器有两个主要的PCB设计目标:

首先,他们必须尽可能多地传输特定数量的电力,同时消耗最少的电力。

第二是它们不会干扰相邻信道中收发信机的正常操作。

就接收器而言,有三个主要的PCB设计目标:

首先,他们必须准确地恢复小信号;

其次,它们必须能够消除所需信道之外的干扰信号;

最后一点是,与发射器一样,它们必须消耗很少的功率。

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图1:RF电路仿真的大干扰信号

即使存在大的干扰信号(屏障),接收器也必须对小信号敏感。当尝试接收弱或远程发射信号时,会发生这种情况,其中强大的发射器在邻近信道中广播附近。

干扰信号可能比预期信号大60~70 dB,并且可能在接收器的输入相位中通过大量覆盖阻止正常信号的接收,或者通过使接收器在输入阶段产生过多噪声来阻止正常信号的接收。如果在输入阶段期间接收器被干扰源驱动到非线性区域,则会出现上述两个问题。为避免这些问题,接收器的前端必须非常线性。

因此,在设计PCB接收器时,“线性”也是一个重要的考虑因素。由于接收器是窄带电路,因此通过测量“互调失真”来测量非线性。

这涉及使用两个频率相似且位于中心频带的正弦或余弦波来驱动输入信号,然后测量其互调的乘积。

通常,SPICE是一种耗时且昂贵的仿真软件,因为它必须执行循环的多次迭代才能获得所需的频率分辨率以理解失真。

用于RF电路仿真的小预期信号

接收器必须敏感以检测小输入信号。通常,接收器的输入功率可以小至1μV。接收器的灵敏度受其输入电路产生的噪声的限制。

因此,在设计PCB接收器时,噪声是一个重要的考虑因素。此外,使用模拟工具预测噪声的能力是必不可少的。

图1是典型的超外差接收器。接收信号首先被滤波,然后由低噪声放大器(LNA)放大。然后使用第一本地振荡器(LO)将该信号与该信号混合,以将该信号转换为中频(IF)。

前端电路的噪声性能主要取决于LNA,混频器和LO。尽管使用传统的SPICE噪声分析可以发现LNA的噪声,但它对于混频器和LO来说是无用的,因为这些模块中的噪声受到大LO信号的严重影响。

小输入信号要求接收器具有非常大的放大功能,这通常需要120dB的增益。在如此高的增益下,从输出耦合回输入的任何信号都可能导致问题。

使用超外差接收器架构的一个重要原因是它可以在几个频率上扩展增益,以减少耦合的机会。这也使得第一LO的频率与输入信号的频率不同,从而防止大的干扰信号“污染”到小输入信号。

出于某些不同的原因,在一些无线通信系统中,直接转换或零差架构可以代替超外差架构。在这种架构中,RF输入信号在一个步骤中直接转换为基频,因此大部分增益在基频中,LO与输入信号的频率相同。

在这种情况下,必须知道少量耦合的影响,并且必须建立“杂散信号路径”的详细模型,例如:通过衬底,封装引脚和键合线的耦合。 (bondwire)和通过电源线耦合之间的耦合。

RF电路仿真相邻信道的干扰

失真在发射机中也起着重要作用。由发射器在输出电路中产生的非线性可以在相邻信道中扩展发射信号的带宽。这种现象称为“光谱再生”。

在信号到达发射器的功率放大器(PA)之前,其频宽被限制着;但在PA内的“交调失真”会导致频宽再次增加如果频宽增加的太多,发射器将无法符合其相邻频道的功率要求。当传送数字调变信号时,实际上,是无法用SPICE来预测频谱的再成长。

因为大约有1000个数字符号(symbol)的传送作业必须被仿真,以求得代表性的频谱,并且还需要结合高频率的载波,这些将使SPICE的瞬态分析变得不切实际。

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