射频电路指处理信号的电磁波长与电路或器件尺寸处于同一数量级的电路。此时由于器件尺寸和导线尺寸的关系,电路需要用分布参数的相关理论来处理,这类电路都 可以认为是射频电路,对其频率没有严格要求,如长距离传输的交流输电线(50或60Hz)有时也要用RF的相关理论来处理。

1.射频电路原理

射频电路最主要的应用领域就是无线通信,为一个典型的无线通信系统的框图,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。
一个无线通信收发机(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。
模拟信号电路分为两部分:发射部分和接收部分。发射部分的主要作用是:数- 模转换输出的低频模拟信号与本地振荡器提供的高频载波经过混频器上变频成射频调制信号,射频信号经过天线辐射到空间中去。接收部分的主要作用是:空间辐射 信号经过天线耦合到接收电路中去,接收到的微弱信号经过低噪声放大器被放大后与本地振荡信号经过混频器下变频为包含中频信号分量的信号。滤波器的作用就是 将有用的中频信号滤出来后输入模-数转换器转换成数字信号,然后进入数字处理部分处理。
以TriQuint公司的TGA4506-SM为例,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。
在电子学理论中,电流流过导体,导体周围会形成磁场;交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,称为电磁波。
在电磁波频率低于100khz时,电磁波会被地表吸收,不能形成有效的传输,但电磁波频率高于100khz时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力,我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频,英文缩写:RF。
高频电路基本上是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。高频电路中无源线性元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器)。
在电子技术领域,射频电路的特性不同于普通的低频电路。主要原因是在高频条件下,电路的特性与低频条件下不同,因此需要利用射频电路理论去理解射频电路的 工作原理。在高频条件下,杂散电容和杂散电感对电路的影响很大。杂散电感存在于导线连接以及组件本身存在的内部自感。杂散电容存在于电路的导体之间以及组 件和地之间。在低频电路中,这些杂散参数对电路的性能影响很小,随着频率的增加,杂散参数的影响越来越大。在早期的VHF频段电视接收机中的高频头,以及 通信接收机的前端电路中,杂散电容的影响都非常大以至于不再需要另外添加电容。
此外,在射频条件下电路存在趋肤效应。与直流不同的是,在直流条件下电流在整个导体中流动,而在高频条件下电流在导体表面流动。其结果是,高频的交流电阻要大于直流电阻。
在高频电路中的另一个问题是电磁辐射效应。随着频率的增加,当波长可与电路尺寸12比拟时,电路会变为一个辐射体。这时,在电路之间、电路和 外部环境之间会产生各种耦合效应,因而引出许多干扰问题。这些问题在低频条件下往往是无关紧要的。
随着通信技术的发展,通信设备所用频率日益提高,射频(RF)和微波(MW)电路在通信系统中广泛应用,高频电路设计领域得到了工业界的特别关注,新型半导 体器件更使得高速数字系统和高频模拟系统不断扩张。微波射频识别系统(RFID)的载波频率在915MHz和2450MHz频率范围内;全球定位系统 (GPS)载波频率在1227.60MHz和1575.42MHz的频率范围内;个人通信系统中的射频电路工作在1.9GHz,并且可以集成于体积日益变 小的个人通信终端上;在C波段卫星广播通信系统中包括4GHz的上行通信链路和6GHz的下行通信链路。通常这些电路的工作频率都在1GHz以上,并且随 着通信技术的发展,这种趋势会继续下去。但是,处理这种频率很高的电路,不仅需要特别的设备和装置,而且需要直流和低频电路中没有用到的理论知识和实际经验。

射频电路原理

2.射频电路的基本特点

1、射频电路仿真之射频的界面
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(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。
2、射频电路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。
3、射频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。
4、射频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。

射频电路的基本特点

3.射频电路的应用

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)

射频电路的应用