PCB設計中射頻電路的特性解析

2020-11-24 電子發燒友

PCB設計中射頻電路的特性解析

發表於 2019-04-25 14:57:44

射頻電路（RF circuit）的許多特殊特性，很難用簡短的幾句話來說明，也無法使用傳統的模擬仿真軟體來分析，譬如SPICE。不過，目前市面上有一些EDA軟體具有諧波平衡（harmonic balance）、投射法（shooting method）…等複雜的算法，可以快速和準確地仿真射頻電路。但在學習這些EDA軟體之前，必須先了解射頻電路的特性，尤其要了解一些專有名詞和物理現象的意義，因為這是射頻工程的基礎知識。

射頻的界面

無線發射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個部份。基頻包含發射器的輸入信號之頻率範圍，也包含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（transmission medium）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，並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，並轉換、降頻成基頻。

發射器有兩個主要的PCB設計目標：第一是它們必須儘可能在消耗最少功率的情況下，發射特定的功率。第二是它們不能干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，它們必須準確地還原小信號；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。

小的期望信號

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1 μV。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。附圖一是一個典型的超外差（superheterodyne）接收器。接收到的信號先經過濾波，再以低噪聲放大器（LNA）將輸入信號放大。然後利用第一個本地振蕩器（LO）與此信號混合，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於LNA、混合器（mixer）和LO。雖然使用傳統的SPICE噪聲分析，可以尋找到LNA的噪聲，但對於混合器和LO而言，它卻是無用的，因為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能，通常需要120 dB這麼高的增益。在這麼高的增益下，任何自輸出端耦合（couple）回到輸入端的信號都可能產生問題。使用超外差接收器架構的重要原因是，它可以將增益分布在數個頻率裡，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不同，可以防止大的幹擾信號「汙染」到小的輸入信號。

因為不同的理由，在一些無線通訊系統中，直接轉換（direct conversion）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，並且必須建立起「雜散信號路徑（stray signal path）」的詳細模型，譬如：穿過基板（substrate）的耦合、封裝腳位與焊線（bondwire）之間的耦合、和穿過電源線的耦合。

大的幹擾信號

接收器必須對小的信號很靈敏，即使有大的幹擾信號（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，而其附近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60~70 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，被幹擾源驅使進入非線性的區域，上述的那兩個問題就會發生。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。由於接收器是窄頻電路，所以非線性是以測量「交調失真（intermodulation distortion）」來統計的。這牽涉到利用兩個頻率相近，並位於中心頻帶內（in band）的正弦波或餘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體，因為它必須執行許多次的循環運算以後，才能得到所需要的頻率解析度，以了解失真的情形。

相鄰頻道的幹擾

失真也在發射器中扮演著重要的角色。發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於相鄰的頻道中。這種現象稱為「頻譜的再成長（spectral regrowth）」。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，發射器將無法符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。因為大約有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。

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