深度剖析射频电路四大基础特性及PCB设计要点，一文掌握关键技术！
深度剖析射频电路四大基础特性及PCB设计要点，一文掌握关键技术！
在无线通信领域，射频电路如同连接信号世界的桥梁，其性能优劣直接影响着信息传递的质量与效率。对于广大电子工程师和射频技术爱好者而言，深入理解射频电路的基础特性以及在PCB设计过程中的关键考量因素，是开启高效、稳定无线通信系统设计大门的钥匙。今天，我们将从射频界面、小的期望信号、大的干扰信号、相邻频道的干扰这四个关键维度，全面解读射频电路的奥秘。
首先，来认识一下无线发射器和接收器的基本架构，它们在概念上可划分为基频与射频两个部分。基频涵盖了发射器输入信号以及接收器输出信号的频率范围，其频宽直接决定了系统中数据流动的基本速率。在基频电路设计中，大量的信号处理工程知识不可或缺，它旨在提升数据流的可靠度，并在特定数据传输率下，减轻发射器对传输媒介的负荷。而射频电路则肩负着信号转换与频率升降的重任。发射器的射频电路将处理后的基频信号转换并升频至指定频道，随后注入传输媒体；接收器的射频电路则从传输媒体获取信号，进行转换和降频，使其变为基频。从PCB设计目标来看，发射器要在尽可能少消耗功率的前提下，发射特定功率，同时不能干扰相邻频道内收发机的正常工作；接收器则需精准还原小信号、去除期望频道外的干扰信号，并且保持低功耗运行。
当接收器面对小的期望信号时，灵敏度成为关键指标。通常，接收器的输入功率可低至1μV，然而，其灵敏度往往受输入电路产生的噪声限制。以典型的超外差接收器为例，接收到的信号先经滤波，再由低噪声放大器放大，随后与本地振荡器信号混合转换为中频。在这一过程中，前端电路的噪声效能主要取决于低噪声放大器、混合器和本地振荡器。传统的SPICE噪声分析虽能探寻低噪声放大器的噪声，但对于受大本地振荡器信号严重影响的混合器和本地振荡器，却难以发挥作用。而且，小输入信号要求接收器具备强大的放大功能，增益通常高达120dB。在如此高增益下，输出端耦合回输入端的信号极易引发问题。超外差接收器架构通过将增益分布在多个频率，有效降低了耦合几率，同时使本地振荡器频率与输入信号频率不同，避免了大干扰信号对小输入信号的“污染”。不过，在一些无线通信系统中，直接转换或内差架构因特定原因会取代超外差架构。在此架构下，射频输入信号一步直接转换为基频，大部分增益在基频实现，且本地振荡器与输入信号频率相同。此时，必须充分了解少量耦合的影响，并对“杂散信号路径”，如穿过基板、封装脚位与焊线之间、电源线的耦合，建立详细模型。
大的干扰信号也是接收器设计中必须攻克的难题。当尝试接收微弱或远距离发射信号，而附近存在强大发射器在相邻频道广播时，干扰信号可能比期望信号大60-70dB，它能通过覆盖接收器输入阶段或使其产生过多噪声，阻断正常信号接收。若接收器输入阶段受干扰源驱使进入非线性区域，问题将更为严重。为避免此类情况，接收器前端必须具备高度线性。由于接收器是窄频电路，其非线性通常通过测量“交调失真”来统计，这需要利用两个频率相近且位于中心频带内的正弦波或余弦波驱动输入信号，再测量其交互调变乘积。但需注意，SPICE仿真在此过程中耗时耗成本，因其需执行多次循环运算才能获取所需频率分辨率，以了解失真情况。
相邻频道的干扰同样不容忽视，尤其是在发射器方面。发射器输出电路的非线性可能导致传送信号频宽扩散至相邻频道，即出现“频谱的再成长”现象。在信号到达功率放大器之前，频宽本受到限制，但功率放大器内的“交调失真”会使频宽再度增加。若频宽增加过多，发射器将无法满足相邻频道的功率要求。特别在传送数字调变信号时，由于需仿真约1000个数字符号的传送作业，并结合高频率载波，SPICE的瞬态分析难以实现对频谱再成长的预测。
射频电路的四大基础特性——射频界面、小的期望信号、大的干扰信号、相邻频道的干扰，从不同角度塑造了射频电路的性能。在PCB设计过程中，充分考量这些特性，如重视接收器的噪声与线性、关注发射器的失真问题等，是设计出高性能射频电路的关键。随着无线通信技术的不断发展，对射频电路性能的要求也日益提高，深入研究这些基础特性，将为推动无线通信技术的创新发展提供有力支撑。