电路板设计中射频接口和射频电路的特性

射频电路(RFcircuit)的许多特殊特性，很难用简短的几句话来说明，也无法使用传统的模拟仿真软件来分析，譬如SPICE。不过，目前市面上有一些EDA软件具有谐波平衡(harmonicbalance)、投射法(shootingmethod)…等复杂的算法，可以快速和准确地仿真射频电路。但在学习这些EDA软件之前，必须先了解射频电路的特性，尤其要了解一些专有名词和物理现象的意义，因为这是射频工程的基础知识。射频的界面无线发射器和接收器在概念上，可分为基频与射频两个部份。基频包含发射器的输入信号之频率范围，也包含接收器的输出信号之频率范围。基频的频宽决定了数据在系统中可流动的基本速率。基频是用来改善数据流的可靠度，并在特定的数据传输率之下，减少发射器施加在传输媒介(transmissionmedium)的负荷。因此，PCB设计基频电路时，需要大量的信号处理工程知识。发射器的射频电路能将已处理过的基频信号转换、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。发射器有两个主要的PCB设计目标：第一是它们必须尽可能在消耗最少功率的情况下，发射特定的功率。第二是它们不能干扰相邻频道内的收发机之正常运作。就接收器而言，有三个主要的PCB设计目标：首先，它们必须准确地还原小信号；第二，它们必须能去除期望频道以外的干扰信号；最后一点与发射器一样，它们消耗的功率必须很小。小的期望信号接收器必须很灵敏地侦测到小的输入信号。一般而言，接收器的输入功率可以小到1μV。接收器的灵敏度被它的输入电路所产生的噪声所限制。因此，噪声是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素。而且，具备以仿真工具来预测噪声的能力是不可或缺的。附图一是一个典型的超外差(superheterodyne)接收器。接收到的信号先经过滤波，再以低噪声放大器(LNA)将输入信号放大。然后利用第一个本地振荡器(LO)与此信号混合，以使此信号转换成中频(IF)。前端(front-end)电路的噪声效能主要取决于LNA、混合器(mixer)和LO。虽然使用传统的SPICE噪声分析，可以寻找到LNA的噪声，但对于混合器和LO而言，它却是无用的，因为在这些区块中的噪声，会被很大的LO信号严重地影响。小的输入信号要求接收器必须具有极大的放大功能，通常需要120dB这么高的增益。在这么高的增益下，任何自输出端耦合(couple)回到输入端的信号都可能产生问题。使用超外差接收器架构的重要原因是，它可以将增益分布在数个频率里，以减少耦合的机率。这也使得第一个LO的频率与输入信号的频率不同，可以防止大的干扰信号“污染”到小的输入信号。因为不同的理由，在一些无线通讯系统中，直接转换(directconversion)或内差(homodyne)架构可以取代超外差架构。在此架构中，射频输入信号是在单一步骤下直接转换成基频，因此，大部份的增益都在基频中，而且LO与输入信号的频率相同。在这种情况下，必须了解少量耦合的影响力，并且必须建立起“杂散信号路径(straysignalpath)”的详细模型，譬如：穿过基板(substrate)的耦合、封装脚位与焊线(bondwire)之间的耦合、和穿过电源线的耦合。大的干扰信号接收器必须对小的信号很灵敏，即使有大的干扰信号(阻挡物)存在时。这种情况出现在尝试接收一个微弱或远距的发射信号，而其附近有强大的发射器在相邻频道中广播。干扰信号可能比期待信号大60~70dB，且可以在接收器的输入阶段以大量覆盖的方式，或使接收器在输入阶段产生过多的噪声量，来阻断正常信号的接收。如果接收器在输入阶段，被干扰源驱使进入非线性的区域，上述的那两个问题就会发生。为避免这些问题，接收器的前端必须是非常线性的。因此，“线性”也是PCB设计接收器时的一个重要考虑因素。由于接收器是窄频电路，所以非线性是以测量“交调失真(intermodulationdistortion)”来统计的。这牵涉到利用两个频率相近，并位于中心频带内(inband)的正弦波或余弦波来驱动输入信号，然后再测量其交互调变的乘积。大体而言，SPICE是一种耗时耗成本的仿真软件，因为它必须执行许多次的循环运算以后，才能得到所需要的频率分辨率，以了解失真的情形。相邻频道的干扰失真也在发射器中扮演着重要的角色。发射器在输出电路所产生的非线性，可能使传送信号的频宽散布于相邻的频道中。这种现象称为“频谱的再成长(spectralregrowth)”。在信号到达发射器的功率放大器(PA)之前，其频宽被限制着；但在PA内的“交调失真”会导致频宽再次增加。如果频宽增加的太多，发射器将无法符合其相邻频道的功率要求。当传送数字调变信号时，实际上，是无法用SPICE来预测频谱的再成长。因为大约有1000个数字符号(symbol)的传送作业必须被仿真，以求得代表性的频谱，并且还需要结合高频率的载波，这些将使SPICE的瞬态分析变得不切实际。