+86-21-8027 0272
上海永乐高
info@molexy.com

射頻技術你知道几多

射頻技最主要的應用領域就是無線通信,下面以這個系統爲例分析射頻電路在整個無線通信系統中的作用。

 

  這是一個無線通信收發機(《spantranceiver)的系統模型,它包罗了發射機電路、接收機電路以及通信天線。這個收發機可以應用于個人通信和無線局域網絡中。在這個系統中,數字處理部门主要是對數字信號進行處理,包罗采樣、壓縮、編碼等;然後通A/D轉換器轉換器變成模擬形式進入模擬信號電路單元。

 

  電路的組成和特點

 

  这个放大器的电路板图,注意到输入信号是通過一个经過匹配滤波网络输入放大模块。放大模块一般接纳晶体管的共射极结构,其输入阻抗必须与位于低噪声放大器前面的滤波器的输出阻抗相匹配,从而保证最佳传输功率和最小反射系数,对于射频电路设计来说,这种匹配是必须的。此外,低噪声放大器的输出阻抗必须与其后端的混频器输入阻抗相匹配,同样能保证放大器输出的信号能完全、无反射的输入到混频器中去。这些匹配网络是由微带线组成,在有些时候也可能由独立的无源器件组成,但是它们在高频情况下的电特性与在低频的情况下完全差异。图上还可以看出微带线实际上是一定长度和宽度的敷铜带,与微带线连接的是片状电阻、电容和电感。

 

  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。在射頻和微波系統中,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的測量變得十分困難,因此,功率的測量获得了廣泛的應用。並且,傳統的射頻和微波電路使用分立元件和傳輸線構成,電路的輸入、輸出通常需要匹配到一個系統阻抗(50?或75?)。由于上面两个原因,电路的性能指标,如增益、噪声、非线性等,都可以通過功率体现出来

 

  爲了計算方便,在射頻和微波工程中常用功率強度對數的形式來体现功率,dBm是信號功率相對于1mW的對數值。

 

  有了功率的定義,現在開始討論射頻系統中的一個重要指標:增益。在射頻系統中考慮的功率指的是功率增益,這與電壓增益很容易産生混淆。此外,在射頻系統中,同樣存在多種功率的定義,當匹配電路存在時,可以定義以下功率:

 

  PL:負載獲得的功率

 

  Pin:電路的輸入功率

 

  Pavs:信號源能提供的最大功率

 

  Pavn:電路能提供的最大功率

 

  相應的,可以定義三種功率:一般功率增益Gp、轉化功率增益GT和資用增益GA,它們由下列公式給出。

 

  射頻技術—電路設計要领

 

  無線發射器和接收器在看法上,可分爲基頻與射頻兩個部份。基頻包罗發射器的輸入信號之頻率範圍,也包罗接收器的輸出信號之頻率範圍。基頻的頻寬決定了數據在系統中可流動的基本速率。基頻是用來改善數據流的可靠度,並在特定的數據傳輸率之下,減少發射器施加在傳輸媒介(transmissionmedium)的負荷。因此,PCB设计基频电路时,需要大量的信号处置工程知识。发射器的射频电路能将已处置過的基频信号转换、升频至指定的频道中,并将此信号注入至传输媒体中。相反的,接收器的射频电路能自传输媒体中取得信号,并转换、降频成基频。

 

  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。第二是它們不能幹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,它們必須准確地還原小信號;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。

 

  射頻技術—仿真之大的幹擾信號

 

  接收器必須對小的信號很靈敏,纵然有大的幹擾信號(阻擋物)存在時。這種情況出現在嘗試接收一個微弱或遠距的發射信號,而其四周有強大的發射器在相鄰頻道中廣播。幹擾信號可能比期待信號大60~70dB,且可以在接收器的输入阶段以大量笼罩的方式,或使接收器在输入阶段发生過多的噪声量,来阻断正常信号的接收。如果接收器在输入阶段,被滋扰源驱使进入非线性的区域,上述的那两个问题就会发生。为制止这些问题,接收器的前端必须是很是线性的。

 

  因此,“線性”也是PCB設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“交調失真(intermodulaTIondistorTIon)”來統計的。這牽涉到利用兩個頻率相近,並位于中心頻帶內(inband)的正弦波或余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,因爲它必須執行許多次的循環運算以後,才气获得所需要的頻率分辨率,以了解失真的情形。

 

  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産生的噪聲所限制。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行或缺的。附圖一是一個典型的超外差(superheterodyne)接收器。接收到的信号先经過滤波,再以低噪声放大器(LNA)將輸入信號放大。然後利用第一個当地振蕩器(LO)與此信號混淆,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于LNA、混淆器(mixer)和LO。雖然使用傳統的SPICE噪聲分析,可以尋找到LNA的噪聲,但對于混淆器和LO而言,它卻是無用的,因爲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效,通常需要120dB這麽高的增益。在這麽高的增益下,任何自輸出端耦合(couple)回到輸入端的信號都可能産生問題。使用超外差接收器架構的重要原因是,它可以將增益漫衍在數個頻率裏,以減少耦合的機率。這也使得第一個LO的頻率與輸入信號的頻率差异,可以防止大的幹擾信號“汙染”到小的輸入信號。

 

  因爲差异的理由,在一些無線通訊系統中,直接轉換(directconversion)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,並且必須建设起“雜散信號路徑(straysignalpath)”的详细模型,譬如:穿過基板(substrate)的耦合、封裝腳位與焊線(bondwire)之间的耦合、和穿過电源线的耦合。

 

  電路仿真之相鄰頻道的幹擾

 

  失真也在發射器中饰演著重要的角色。發射器在輸出電路所産生的非線性,可能使傳送信號的頻寬散布于相鄰的頻道中。這種現象稱爲“頻譜的再成長(spectralregrowth)”。在信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,發射器將無法切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。因爲大約有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。