射頻電路設計簡述

什么是射頻電路

射頻簡稱RF，射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于一千次的交流電稱為低頻電流，大于一千次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。

射頻電路指處理信號的電磁波長與電路或器件尺寸處于同一數(shù)量級的電路。此時由于器件尺寸和導線尺寸的關系，電路需要用分布參數(shù)的相關理論來處理，這類電路都可以認為是射頻電路，對其頻率沒有嚴格要求，如長距離傳輸?shù)慕涣鬏旊娋€，有時也要用RF的相關理論來處理。

典型射頻電路方框圖

這是一個無線通信收發(fā)機的系統(tǒng)模型，它包含了發(fā)射機電路、接收機電路以及通信天線。這個收發(fā)機可以應用于個人通信和無線局域網絡中。在這個系統(tǒng)中，數(shù)字處理部分主要是對數(shù)字信號進行處理，包括采樣、壓縮、編碼等；然后通過AD轉換器轉換器變成模擬形式進入模擬信號電路單元。

射頻電路如何布局

1.盡可能地把高功率RF放大器和低噪音放大器隔離開來，簡單地說，就是讓高功率RF發(fā)射電路遠離低功率RF接收電路

2.確保PCB板上高功率區(qū)至少有一整塊地，最好上面沒有過孔，當然，銅箔面積越大越好。

3.電路和電源去耦同樣也極為重要。

4.RF輸出通常需要遠離RF輸入

5.敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數(shù)字信號和RF信號。

射頻電路原理

射頻電路原理分三個部分，首先是接收電路的結構和工作原理，然后發(fā)射電路的結構和工作原理，最后本振電路的結構和工作原理。

接收時，天線把基站發(fā)送來電磁波轉為微弱交流電流信號經濾波，高頻放大后，送入中頻內進行解調，得到接收基帶信息。送到邏輯音頻電路進一步處理。

電路結構：接收電路由天線、天線開關、濾波器、高放管、中頻集成塊等電路組成。早期手機有一級、二級混頻電路，其目的把接收頻率降低后再解調。

發(fā)射時，把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息調制成的發(fā)射中頻，把發(fā)射中頻信號頻率上變?yōu)镚SM的頻率信號。經功放放大后由天線轉為電磁波輻射出去。

電路結構：發(fā)射電路由中頻內部的發(fā)射調制器、發(fā)射鑒相器；發(fā)射壓控振蕩器、功率放大器、功率控制器、發(fā)射互感器等電路組成。

而本振電路產生四段不帶任何信息的本振頻率信號；送入中頻內部，接收時，對接收信號進行解調；發(fā)射時，對發(fā)射基帶信息進行調制和發(fā)射鑒相。

手機本振電路有四種電路結構：A，由頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器、基準時鐘、預設頻率參考數(shù)據(jù)組成。

B，把頻率合成集成塊集成在中頻內部，結合外接、接收壓控振蕩器組成。

C，把頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器集成一體，稱本振集成塊或本振舐IC。

D，把頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器集成在中頻內部。

值得注意的是：無論采用何種結構模式，只是產生的頻率不同；其工作原理，產生的頻率信號的走向和作用都一樣的。

射頻電路應用

射頻電路應用領域有ETC、鐵路機車車輛識別跟蹤、集裝箱識別、出入門禁管理、動物識別、跟蹤、車輛自動鎖死等等，還有很多，就沒有一一列舉了。

射頻電路設計

四大方面教你如何設計射頻電路：射頻電路仿真之射頻的界面、射頻電路仿真之大的干擾信號、射頻電路仿真之小的期望信號、射頻電路仿真之相鄰頻道的干擾。

無線發(fā)射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個部份?；l包含發(fā)射器的輸入信號之頻率范圍，也包含接收器的輸出信號之頻率范圍。基頻的頻寬決定了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動的基本速率。基頻是用來改善數(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(fā)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，并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，并轉換、降頻成基頻。

發(fā)射器有兩個主要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(fā)射特定的功率。第二是它們不能干擾相鄰頻道內的收發(fā)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信號；第二，它們必須能去除期望頻道以外的干擾信號；最后一點與發(fā)射器一樣，它們消耗的功率必須很小。

接收器必須對小的信號很靈敏，即使有大的干擾信號存在時。這種情況出現(xiàn)在嘗試接收一個微弱或遠距的發(fā)射信號，而其附近有強大的發(fā)射器在相鄰頻道中廣播。干擾信號可能比期待信號大六十到七十分貝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噪聲量，來阻斷正常信號的接收。如果接收器在輸入階段，被干擾源驅使進入非線性的區(qū)域，上述的那兩個問題就會發(fā)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”來統(tǒng)計的。這牽涉到利用兩個頻率相近，并位于中心頻帶內的正弦波或、余弦波來驅動輸入信號，然后再測量其交互調變的乘積。

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(xiàn)象稱為“頻譜的再成長”。在信號到達發(fā)射器的功率放大器之前，其頻寬被限制著；但在功率放大器內的“交調失真”會導致頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多， 發(fā)射器將無法符合其相鄰頻道的功率要求。當傳送數(shù)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(shù)字符號的傳送作業(yè)必須被仿真，以求得代表性的頻譜，并且還需要結合高頻率的載波，這些將使spice的瞬態(tài)分析變得不切實際。

接收器必須很靈敏地偵測到小的輸入信號。接收器的靈敏度被它的輸入電路所產生的噪聲所限制。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可或缺的。

射頻電路設計的常見問題

數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾

如果模擬電路和數(shù)字電路單獨工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個電源一起工作，整個系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因為數(shù)字信號頻繁地在地和正電源之間擺動，而且周期特別短，常常是納秒級的。由于較大的振幅和較短的切換時間。使得這些數(shù)字信號包含大量且獨立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無線調諧回路傳到無線設備接收部分的信號一般小于1。因此數(shù)字信號與射頻信號之間的差別會達到一百二十分貝。顯然，如果不能使數(shù)字信號與射頻信號很好地分離。微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來，無線設備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。

供電電源的噪聲干擾

射頻電路對于電源噪聲相當敏感，尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個內部時鐘周期內短時間突然吸入大部分電流，這是由于現(xiàn)代微控制器都采用C mos工藝制造。因此。假設一個微控制器以一兆赫茲的內部時鐘頻率運行，它將以此頻率從電源提取電流。如果不采取合適的電源去耦。必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達電路RF部分的電源引腳，嚴重時可能導致工作失效。

不合理的地線

如果RF電路的地線處理不當，可能產生一些奇怪的現(xiàn)象。對于數(shù)字電路設計，即使沒有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在RF頻段，即使一根很短的地線也會如電感器一樣作用。如果不采用地線層，大多數(shù)地線將會較長，電路將無法具有設計的特性。

天線對其他模擬電路部分的輻射干擾

在PCB電路設計中，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模數(shù)轉換或數(shù)模轉換器。如果模數(shù)轉換輸入端處理不合理，RF信號可能在轉換器輸入的靜電保護二極管內自激。從而引起轉換器偏差。