PCB設計(jì)中射頻接口和(hé)射頻電(diàn)路的特性

       射頻電(diàn)路(RF circuit)的許多(duō)特殊特性，很(hěn)難用簡短(duǎn)的幾句話(huà)來(lái)說明(míng)，也無法使用傳統的模拟仿真軟件來(lái)分析，譬如SPICE。不過，目前市面上(shàng)有(yǒu)一些(xiē)EDA軟件具有(yǒu)諧波平衡(harmonic balance)、投射法(shooting method)…等複雜的算(suàn)法，可(kě)以快速和(hé)準确地仿真射頻電(diàn)路。但(dàn)在學習這些(xiē)EDA軟件之前，必須先了解射頻電(diàn)路的特性，尤其要了解一些(xiē)專有(yǒu)名詞和(hé)物理(lǐ)現象的意義，因為(wèi)這是射頻工程的基礎知識。 

    射頻的界面 
    無線發射器(qì)和(hé)接收器(qì)在概念上(shàng)，可(kě)分為(wèi)基頻與射頻兩個(gè)部份。基頻包含發射器(qì)的輸入信号之頻率範圍，也包含接收器(qì)的輸出信号之頻率範圍。基頻的頻寬決定了數(shù)據在系統中可(kě)流動的基本速率。基頻是用來(lái)改善數(shù)據流的可(kě)靠度，并在特定的數(shù)據傳輸率之下，減少(shǎo)發射器(qì)施加在傳輸媒介(transmission medium)的負荷。因此，PCB設計(jì)基頻電(diàn)路時(shí)，需要大(dà)量的信号處理(lǐ)工程知識。發射器(qì)的射頻電(diàn)路能将已處理(lǐ)過的基頻信号轉換、升頻至指定的頻道(dào)中，并将此信号注入至傳輸媒體(tǐ)中。相反的，接收器(qì)的射頻電(diàn)路能自傳輸媒體(tǐ)中取得(de)信号，并轉換、降頻成基頻。 
   發射器(qì)有(yǒu)兩個(gè)主要的PCB設計(jì)目标：第一是它們必須盡可(kě)能在消耗最少(shǎo)功率的情況下，發射特定的功率。第二是它們不能幹擾相鄰頻道(dào)內(nèi)的收發機之正常運作(zuò)。就接收器(qì)而言，有(yǒu)三個(gè)主要的PCB設計(jì)目标：首先，它們必須準确地還(hái)原小(xiǎo)信号;第二，它們必須能去除期望頻道(dào)以外的幹擾信号;最後一點與發射器(qì)一樣，它們消耗的功率必須很(hěn)小(xiǎo)。 

    小(xiǎo)的期望信号 
    接收器(qì)必須很(hěn)靈敏地偵測到小(xiǎo)的輸入信号。一般而言，接收器(qì)的輸入功率可(kě)以小(xiǎo)到1 μV。接收器(qì)的靈敏度被它的輸入電(diàn)路所産生(shēng)的噪聲所限制(zhì)。因此，噪聲是PCB設計(jì)接收器(qì)時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。而且，具備以仿真工具來(lái)預測噪聲的能力是不可(kě)或缺的。附圖一是一個(gè)典型的超外差(superheterodyne)接收器(qì)。接收到的信号先經過濾波，再以低(dī)噪聲放大(dà)器(qì)(LNA)将輸入信号放大(dà)。然後利用第一個(gè)本地振蕩器(qì)(LO)與此信号混合，以使此信号轉換成中頻(IF)。前端(front-end)電(diàn)路的噪聲效能主要取決于LNA、混合器(qì)(mixer)和(hé)LO。雖然使用傳統的SPICE噪聲分析，可(kě)以尋找到LNA的噪聲，但(dàn)對于混合器(qì)和(hé)LO而言，它卻是無用的，因為(wèi)在這些(xiē)區(qū)塊中的噪聲，會(huì)被很(hěn)大(dà)的LO信号嚴重地影(yǐng)響。 
    小(xiǎo)的輸入信号要求接收器(qì)必須具有(yǒu)極大(dà)的放大(dà)功能，通(tōng)常需要120 dB這麽高(gāo)的增益。在這麽高(gāo)的增益下，任何自輸出端耦合(couple)回到輸入端的信号都可(kě)能産生(shēng)問題。使用超外差接收器(qì)架構的重要原因是，它可(kě)以将增益分布在數(shù)個(gè)頻率裏，以減少(shǎo)耦合的機率。這也使得(de)第一個(gè)LO的頻率與輸入信号的頻率不同，可(kě)以防止大(dà)的幹擾信号“污染”到小(xiǎo)的輸入信号。 
    因為(wèi)不同的理(lǐ)由，在一些(xiē)無線通(tōng)訊系統中，直接轉換(direct conversion)或內(nèi)差(homodyne)架構可(kě)以取代超外差架構。在此架構中，射頻輸入信号是在單一步驟下直接轉換成基頻，因此，大(dà)部份的增益都在基頻中，而且LO與輸入信号的頻率相同。在這種情況下，必須了解少(shǎo)量耦合的影(yǐng)響力，并且必須建立起“雜散信号路徑(stray signal path)”的詳細模型，譬如：穿過基闆(substrate)的耦合、封裝腳位與焊線(bondwire)之間(jiān)的耦合、和(hé)穿過電(diàn)源線的耦合。 

    大(dà)的幹擾信号 
    接收器(qì)必須對小(xiǎo)的信号很(hěn)靈敏，即使有(yǒu)大(dà)的幹擾信号(阻擋物)存在時(shí)。這種情況出現在嘗試接收一個(gè)微弱或遠距的發射信号，而其附近有(yǒu)強大(dà)的發射器(qì)在相鄰頻道(dào)中廣播。幹擾信号可(kě)能比期待信号大(dà)60~70 dB，且可(kě)以在接收器(qì)的輸入階段以大(dà)量覆蓋的方式，或使接收器(qì)在輸入階段産生(shēng)過多(duō)的噪聲量，來(lái)阻斷正常信号的接收。如果接收器(qì)在輸入階段，被幹擾源驅使進入非線性的區(qū)域，上(shàng)述的那(nà)兩個(gè)問題就會(huì)發生(shēng)。為(wèi)避免這些(xiē)問題，接收器(qì)的前端必須是非常線性的。 
    因此，“線性”也是PCB設計(jì)接收器(qì)時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。由于接收器(qì)是窄頻電(diàn)路，所以非線性是以測量“交調失真(intermodulation distortion)”來(lái)統計(jì)的。這牽涉到利用兩個(gè)頻率相近，并位于中心頻帶內(nèi)(in band)的正弦波或餘弦波來(lái)驅動輸入信号，然後再測量其交互調變的乘積。大(dà)體(tǐ)而言，SPICE是一種耗時(shí)耗成本的仿真軟件，因為(wèi)它必須執行(xíng)許多(duō)次的循環運算(suàn)以後，才能得(de)到所需要的頻率分辨率，以了解失真的情形。 

    相鄰頻道(dào)的幹擾 
    失真也在發射器(qì)中扮演着重要的角色。發射器(qì)在輸出電(diàn)路所産生(shēng)的非線性，可(kě)能使傳送信号的頻寬散布于相鄰的頻道(dào)中。這種現象稱為(wèi)“頻譜的再成長(spectral regrowth)”。在信号到達發射器(qì)的功率放大(dà)器(qì)(PA)之前，其頻寬被限制(zhì)着;但(dàn)在PA內(nèi)的“交調失真”會(huì)導緻頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多(duō)，發射器(qì)将無法符合其相鄰頻道(dào)的功率要求。當傳送數(shù)字調變信号時(shí)，實際上(shàng)，是無法用SPICE來(lái)預測頻譜的再成長。因為(wèi)大(dà)約有(yǒu)1000個(gè)數(shù)字符号(symbol)的傳送作(zuò)業必須被仿真，以求得(de)代表性的頻譜，并且還(hái)需要結合高(gāo)頻率的載波，這些(xiē)将使SPICE的瞬态分析變得(de)不切實際。