无线射频技术原理及电路设计技巧

RF(Radio Frequency)技术被广泛应用于多种领域，如：电视、广播、移动电话、雷达、自动识别系统等。

专用词RFID(射频识别)即指应用射频识别信号对目标物进行识别。

RFID的应用包括：

ETC(电子收费)

铁路机车车辆识别与跟踪

集装箱识别

贵重物品的识别、认证及跟踪

商业零售、医疗保健、后勤服务等的目标物管理

出入门禁管理

动物识别、跟踪

车辆自动锁死(防盗)

RF(射频)专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波。电磁波可由其频率表述为：KHz(千赫)，MHz(兆赫)及GHz(千兆赫)。其频率范围为VLF(极低频)也即10-30KHz至EHF(极高频)也即30-300GHz。

RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，其所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准;可自由工作在各种恶劣环境下;可进行高度的数据集成。另外，由于该技术很难被仿冒、侵入，使RFID具备了极高的安全防护能力。

从概念上来讲，RFID 类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器;而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID单元，利用RF信号将信息由RFID单元传送至RFID读写器。

RFID单元中载有关于目标物的各类相关信息，如：该目标物的名称，目标物运输起始终止地点、中转地点及目标物经过某一地的具体时间等，还可以载入诸如温度等指标。RFID单元，如标签、卡等可灵活附着于从车辆到载货底盘的各类物品。

RFID技术所使用的电波频率为50KHz-5.8GHz，如图一所示，一个最基本的RFID系统一般包括以下几个部份：

一个载有目标物相关信息的RFID单元(应答机或卡、标签等)

在读写器及RFID单元间传输RF信号的天线

一个产生RF信号的RF收发器(RF transceiver)

一个接收从RFID单元上返回的RF信号并将解码的数据传输到主机系统以供处理的读写器。

天线、读写器、收发器及主机可局部或全部集成为一个整体，或集成为少数的部件。不同制造商有各自不同的集成方法。

(在以上基本配置之外，还应包括相应的应用软件)

射频技术—典型的射频电路

射频电路最主要的应用领域就是无线通信，图1为一个典型的无线通信系统的框图，下面以这个系统为例分析射频电路在整个无线通信系统中的作用。

这是一个无线通信收发机(《span》tranceiver)的系统模型，它包含了发射机电路、接收机电路以及通信天线。这个收发机可以应用于个人通信和无线局域网络中。在这个系统中，数字处理部分主要是对数字信号进行处理，包括采样、压缩、编码等;然后通过A/D转换器转换器变成模拟形式进入模拟信号电路单元。

射频技术—电路的组成和特点

下面，将针对图方框图中的低噪声放大器(LNA)讨论一般射频电路的组成和特点。

上图给出了这个放大器的电路板图，注意到输入信号是通过一个经过匹配滤波网络输入放大模块。放大模块一般采用晶体管的共射极结构，其输入阻抗必须与位于低噪声放大器前面的滤波器的输出阻抗相匹配，从而保证最佳传输功率和最小反射系数，对于射频电路设计来说，这种匹配是必须的。此外，低噪声放大器的输出阻抗必须与其后端的混频器输入阻抗相匹配，同样能保证放大器输出的信号能完全、无反射的输入到混频器中去。

这些匹配网络是由微带线组成，在有些时候也可能由独立的无源器件组成，但是它们在高频 情况下的电特性与在低频的情况下完全不同。图上还可以看出微带线实际上是一定长度和宽度的敷铜带，与微带线连接的是片状电阻、电容和电感。

射频技术—电路的功率和增益

增益、噪声和非线性是描述射频电路最常用的指标。在射频和微波系统中，由于反射的普遍存在和理想的短路、开路难以获得，低频电路中常用的电压和电流参数的测量变得十分困难，因此，功率的测量得到了广泛的应用。

并且，传统的射频和微波电路使用分立元件和传输线构成，电路的输入、输出通常需要匹配到一个系统阻抗(50Ω或75Ω)。由于上面两个原因，电路的性能指标，如增益、噪声、非线性等，都可以通过功率表示出来。

为了计算方便，在射频和微波工程中常用功率强度对数的形式来表示功率，dBm是信号功率相对于1mW的对数值。

有了功率的定义，现在开始讨论射频系统中的一个重要指标：增益。在射频系统中考虑的功率指的是功率增益，这与电压增益很容易产生混淆。此外，在射频系统中，同样存在多种功率的定义，当匹配电路存在时，可以定义以下功率：

PL：负载获得的功率

Pin：电路的输入功率

Pavs：信号源能提供的最大功率

Pavn：电路能提供的最大功率

相应的，可以定义三种功率：一般功率增益Gp、转化功率增益GT和资用增益GA。

射频技术—电路设计方法

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(transmission medium)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。

射频技术—仿真之大的干扰信号

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60~70 dB，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 (intermodulaTIon distorTIon)”来统计的。这牵涉到利用两个频率相近，并位于中心频带内(in band)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。

射频技术—电路仿真之小的期望信号

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1 μV。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120 dB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(direct conversion)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(stray signal path)”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。

射频技术—电路仿真之相邻频道的干扰

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 (spectral regrowth)”。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。