如何設(shè)計(jì)射頻電路及其PCB Layout

本文從射頻界面、小的期望信號(hào)、大的干擾信號(hào)、相鄰頻道的干擾四個(gè)方面解讀射頻電路四大基礎(chǔ)特性，并給出了在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意的重要因素。

射頻電路仿真之射頻的界面

無(wú)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。基頻包含發(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(lái)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(guò)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。

射頻電路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(guò)多的噪聲量，來(lái)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(wèn)題就會(huì)發(fā)生。為避免這些問(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(wú)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(wèn)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(wú)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(guò)基板（substrate）的耦合、封裝腳位與焊線（bondwire）之間的耦合、和穿過(guò)電源線的耦合。

射頻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(chēng)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(wú)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(wú)法用SPICE來(lái)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。