射頻電路的設(shè)計(jì)步驟

射頻，英文名Radio Frequency，簡寫RF，指的是射頻電流，代表高頻交流變化電磁波的振蕩頻率。頻率以赫茲 (Hz) 為單位，等于每秒的振蕩周期數(shù) (1/s)。RF可以指高達(dá)300GHz或低至30 KHz的頻率。

射頻應(yīng)用包括：

無線電廣播;例如AM/FM收音機(jī)。

無線通信;例如5G、手機(jī)、WiFi、藍(lán)牙。

射頻遙控器;例如車庫開門器、無人機(jī)。

遙感，例如天氣或監(jiān)視雷達(dá)。

衛(wèi)星導(dǎo)航;如GPS、Galileo、Glonass、北斗衛(wèi)星。

成像;例如用于機(jī)場安檢的身體掃描儀

射頻波可以有其它名稱，例如微波(如“微波爐”)或毫米波。微波通常是指波長(λ)在1cm到10cm之間的無線電波，對應(yīng)的頻率(f)為30GHz到3GHz。毫米波通常是指波長(λ)在1mm到10mm之間的無線電波，對應(yīng)的頻率(f)為300GHz到30GHz。波長(λ)與頻率(f)的關(guān)系表示為λ=c/f，其中λ以米為單位，c為光速(3×10^8m/s)，f以Hz為單位，或 1/秒)。

什么是射頻電路?

簡單來說，射頻電路(RF Circuit)就是指處理信號的電磁波長與電路(或元器件尺寸)處于同一數(shù)量級的電路。通常在3kHz至2.4GHz(3,000赫茲至24億赫茲)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行的模擬電路。一般情況下，常見的射頻電路包括：

低噪聲放大器 (LNA);用于放大遠(yuǎn)處的微弱信號，LNA決定無線電接收器的靈敏度。

功率放大器(PA);將無線電信號放大到高功率進(jìn)行傳輸，PA確定發(fā)射機(jī)的覆蓋范圍。

本地振蕩器 (LO);主要是為射頻發(fā)射器和接收器提供本地載波頻率。

混頻器;混合兩個信號，在發(fā)射機(jī)中，混頻器是一個“上變頻器”，它將低頻模擬信號與LO信號混合以產(chǎn)生射頻信號，而在接收器中，混頻器是一個“下變頻器”，它將射頻信號與LO信號混合以產(chǎn)生低頻模擬信號。

濾波器;主要是將信號能量限制在特定頻段，它起到防止不同無線電信號相互干擾的作用。

開關(guān);控制信號流路徑。

收發(fā)器;由發(fā)射器和接收器組成。

其實(shí)，射頻電路本質(zhì)原理上是“模擬的”，具有連續(xù)的時間激勵和響應(yīng)。雖然射頻電路以前是用真空管和分立晶體管制成的，但這些材料已在很大程度上被集成電路 (IC) 取代，除少數(shù)高功率應(yīng)用外。

所以，在不需要高功率的應(yīng)用中，例如手機(jī)收發(fā)器、WiFi收發(fā)器、藍(lán)牙收發(fā)器和衛(wèi)星接收器，電路通常采用硅基IC的形式而成。

另外，還一種特殊類型的射頻集成電路稱為單片微波IC(MMIC;也稱為微波單片IC)。這些電路通常在2至100GHz范圍或微波頻率下運(yùn)行，用于雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和蜂窩電話的功率放大器。

射頻電路的設(shè)計(jì)步驟

射頻電路設(shè)計(jì)通常涉及自上而下的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程，然后是自下而上的驗(yàn)證過程。當(dāng)然，這種整體方法有很多變化，不過主要的基本步驟如需：

為設(shè)計(jì)制定高級規(guī)范;包括它將執(zhí)行哪些功能?關(guān)鍵規(guī)格是什么，例如LNA增益和噪聲系數(shù)、PA輸出功率、LO相位噪聲和混頻器轉(zhuǎn)換增益。

使用晶體管、電感器和電容器等組件創(chuàng)建設(shè)備級電路描述;此步驟通常從代工廠PDK中的預(yù)定義設(shè)備庫中提取。

使用電路仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合其所有規(guī)格;在此步驟中，將對制造過程和操作可變性進(jìn)行建模，以確保設(shè)備設(shè)計(jì)在面對這些不確定性時保持穩(wěn)健。

通過組裝所有組件的預(yù)定義布局來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的物理布局;需要注意的是，必須遵循放置規(guī)則以確?？芍圃煨?。

最后從布局中提取等效電路;寄生效應(yīng)這時候應(yīng)該出現(xiàn)在設(shè)計(jì)描述中，并且重新模擬設(shè)計(jì)以確保它在添加這些新效應(yīng)后仍能按預(yù)期運(yùn)行。

典型的簡單射頻電路如下圖所示(僅供參考)：

射頻電路、模擬電路和數(shù)字電路區(qū)別差異

射頻電路是一種特殊類型的模擬電路，它的工作頻率很高，適用于無線傳輸。射頻電路的一個顯著特征是使用電感元件來調(diào)整諧振電路在特定無線電載波頻率附近的操作。射頻電路設(shè)計(jì)和低頻模擬設(shè)計(jì)之間的主要區(qū)別在于對電路執(zhí)行的分析類型。

在射頻設(shè)計(jì)中，穩(wěn)態(tài)操作是首要關(guān)注的問題。電路的行為通常在頻域中建模，重點(diǎn)關(guān)注信號保真度、噪聲、失真和干擾。在對射頻載波上的調(diào)制信號進(jìn)行建模時，混合時頻域分析是最有效的，其中時域側(cè)重于動態(tài)信號變化，頻域側(cè)重于射頻載波及其諧波和互調(diào)產(chǎn)物。必須對制造和設(shè)計(jì)引起的射頻電路可變性進(jìn)行建模和補(bǔ)償。

在模擬電路設(shè)計(jì)中，電路激勵被視為隨時間連續(xù)變化的信號。在無線通信的上下文中，模擬設(shè)計(jì)通常指的是“低頻”或“基帶”電路，而不是“RF”電路。在有線通信的上下文中，模擬設(shè)計(jì)通常是指模擬前端或高速模擬收發(fā)器電路。模擬電路的行為在時域和頻域中建模，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)果波形的保真度/精度、一致性和性能。必須對制造和設(shè)計(jì)引起的電路可變性進(jìn)行建模和補(bǔ)償。

此外，數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，將電路激勵視為一系列離散的邏輯“1”和邏輯“0”。隨著時間的推移，邏輯“1”通常由IC的電源電壓的存在表示，邏輯“0”由該電壓的不存在表示(即，零伏)。數(shù)字電路中的設(shè)備必須將大部分時間花在邏輯“1”或邏輯“0”上。如果處理這些信號的電路對這些邏輯電平的響應(yīng)是一致的，那么數(shù)字設(shè)計(jì)就可以很好地工作。模擬設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)提供這些電路品質(zhì)。這允許使用組合和順序模型分析電路的行為，只考慮兩個電壓(“1”和“0”)，這大大簡化了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程。

為了將射頻電路、模擬電路和數(shù)字電路放在無線電系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 充當(dāng)模擬電路和數(shù)字電路之間的橋梁，混頻器充當(dāng)模擬電路和射頻電路之間的橋梁，而天線充當(dāng)射頻電路和空氣空間之間的接口。