In diesem Artikel werden die vier grundlegenden Eigenschaften von HF-Schaltungen unter vier Gesichtspunkten erläutert: HF-Schnittstelle, kleines erwartetes Signal, großes Störsignal und Störungen durch benachbarte Kanäle. Außerdem werden wichtige Faktoren genannt, die im PCB-Designprozess besondere Aufmerksamkeit erfordern.
HF-Schaltungssimulation der HF-Schnittstelle
Das Konzept des drahtlosen Senders und Empfängers kann in zwei Teile unterteilt werden: Grundfrequenz und Funkfrequenz.Die Grundfrequenz umfasst den Frequenzbereich des Eingangssignals des Senders und den Frequenzbereich des Ausgangssignals des Empfängers.Die Bandbreite der Grundfrequenz bestimmt die Grundrate, mit der Daten im System fließen können.Die Grundfrequenz dient dazu, die Zuverlässigkeit des Datenflusses zu verbessern und die Belastung des Übertragungsmediums durch den Sender bei einer gegebenen Datenrate zu reduzieren.Daher erfordert das PCB-Design des Grundfrequenzkreises umfassende Kenntnisse der Signalverarbeitungstechnik.Die HF-Schaltung des Senders wandelt das verarbeitete Grundfrequenzsignal um, skaliert es auf einen bestimmten Kanal hoch und injiziert dieses Signal in das Übertragungsmedium.Umgekehrt erfasst die HF-Schaltung des Empfängers das Signal vom Übertragungsmedium, wandelt es um und skaliert es auf die Grundfrequenz herunter.
Sender haben zwei Hauptziele beim PCB-Design: Das erste besteht darin, dass sie eine bestimmte Energiemenge übertragen und dabei möglichst wenig Energie verbrauchen müssen.Der zweite Grund besteht darin, dass sie den normalen Betrieb des Transceivers in benachbarten Kanälen nicht beeinträchtigen können.In Bezug auf den Empfänger gibt es drei Hauptziele beim PCB-Design: Erstens müssen sie kleine Signale genau wiederherstellen;Zweitens müssen sie in der Lage sein, Störsignale außerhalb des gewünschten Kanals zu entfernen.Der letzte Punkt ist derselbe wie beim Sender, sie müssen sehr wenig Strom verbrauchen.
HF-Schaltungssimulation großer Störsignale
Empfänger müssen auf kleine Signale empfindlich reagieren, auch wenn große Störsignale (Blocker) vorhanden sind.Diese Situation entsteht, wenn versucht wird, ein schwaches oder weit entferntes Sendesignal zu empfangen, während ein leistungsstarker Sender in der Nähe auf dem benachbarten Kanal sendet.Das Störsignal kann 60 bis 70 dB größer sein als das erwartete Signal und kann den Empfang des normalen Signals in der Eingangsphase des Empfängers blockieren, wenn die Reichweite groß ist oder der Empfänger übermäßig viel Rauschen erzeugt Eingangsphase.Die beiden oben genannten Probleme können auftreten, wenn der Empfänger in der Eingangsstufe durch die Störquelle in den Bereich der Nichtlinearität getrieben wird.Um diese Probleme zu vermeiden, muss das vordere Ende des Empfängers sehr linear sein.
Daher ist „Linearität“ auch ein wichtiger Gesichtspunkt beim Entwurf der Empfängerplatine.Da es sich bei dem Empfänger um eine Schmalbandschaltung handelt, dient die Nichtlinearität der Messung der „Intermodulationsverzerrung“ zur Statistik.Dabei werden zwei Sinus- oder Cosinuswellen ähnlicher Frequenz verwendet, die sich im Mittelband (im Band) befinden, um das Eingangssignal anzusteuern, und dann das Produkt seiner Intermodulationsverzerrung gemessen.Im Großen und Ganzen ist SPICE eine zeitaufwändige und kostspielige Simulationssoftware, da sie viele Zyklen durchlaufen muss, bevor sie die gewünschte Frequenzauflösung erreichen kann, um die Verzerrung zu verstehen.
HF-Schaltungssimulation eines kleinen gewünschten Signals
Der Empfänger muss sehr empfindlich sein, um kleine Eingangssignale zu erkennen.Im Allgemeinen kann die Eingangsleistung des Empfängers nur 1 μV betragen.Die Empfindlichkeit des Empfängers wird durch das von seinem Eingangskreis erzeugte Rauschen begrenzt.Daher ist Rauschen ein wichtiger Gesichtspunkt beim Entwurf eines Empfängers für Leiterplatten.Darüber hinaus ist die Fähigkeit, Lärm mithilfe von Simulationstools vorherzusagen, von entscheidender Bedeutung.Abbildung 1 ist ein typischer Superheterodyn-Empfänger (Superheterodyn).Das empfangene Signal wird zunächst gefiltert und anschließend wird das Eingangssignal mit einem rauscharmen Verstärker (LNA) verstärkt.Der erste lokale Oszillator (LO) wird dann zum Mischen dieses Signals verwendet, um dieses Signal in eine Zwischenfrequenz (IF) umzuwandeln.Die Rauscheffektivität der Front-End-Schaltung (Front-End) hängt hauptsächlich vom LNA, dem Mischer (Mischer) und dem LO ab.Obwohl die herkömmliche SPICE-Rauschanalyse verwendet wird, kann nach LNA-Rauschen gesucht werden. Für Mischer und LO ist dies jedoch nutzlos, da das Rauschen in diesen Blöcken ein sehr großes LO-Signal stark beeinträchtigt.
Das kleine Eingangssignal erfordert eine extreme Verstärkung des Empfängers, normalerweise ist eine Verstärkung von bis zu 120 dB erforderlich.Bei einer so hohen Verstärkung kann jedes Signal, das vom Ausgang zurück zum Eingang gekoppelt wird, zu Problemen führen.Der wichtige Grund für die Verwendung der Super-Outlier-Receiver-Architektur besteht darin, dass sie die Verteilung der Verstärkung auf mehrere Frequenzen ermöglicht, um die Wahrscheinlichkeit einer Kopplung zu verringern.Dadurch unterscheidet sich auch die erste LO-Frequenz von der Eingangssignalfrequenz, wodurch eine „Verunreinigung“ des kleinen Eingangssignals durch große Störsignale verhindert werden kann.
Aus verschiedenen Gründen kann in einigen drahtlosen Kommunikationssystemen eine direkte Konvertierung (Direktkonvertierung) oder eine interne Differenzialarchitektur (homodyne) die ultra-äußere Differenzialarchitektur ersetzen.Bei dieser Architektur wird das HF-Eingangssignal in einem einzigen Schritt direkt in die Grundfrequenz umgewandelt, sodass der größte Teil der Verstärkung in der Grundfrequenz liegt und der LO auf derselben Frequenz wie das Eingangssignal liegt.In diesem Fall müssen die Auswirkungen einer geringen Kopplung verstanden und ein detailliertes Modell des „Streusignalpfads“ erstellt werden, z. B.: Kopplung durch das Substrat, Kopplung zwischen der Gehäusefläche und der Lötlinie (Bonddraht). und Kopplung über die Stromleitungskopplung.
HF-Schaltungssimulation von Nachbarkanalinterferenzen
Auch beim Sender spielen Verzerrungen eine wichtige Rolle.Die vom Sender im Ausgangskreis erzeugte Nichtlinearität kann dazu führen, dass sich die Frequenzbreite des übertragenen Signals über benachbarte Kanäle verteilt.Dieses Phänomen wird „spektrales Nachwachsen“ genannt.Bevor das Signal den Leistungsverstärker (PA) des Senders erreicht, ist seine Bandbreite begrenzt;Allerdings führt eine „Intermodulationsverzerrung“ in der PA dazu, dass die Bandbreite wieder ansteigt.Wenn die Bandbreite zu stark ansteigt, kann der Sender den Leistungsbedarf seiner Nachbarkanäle nicht decken.Bei der Übertragung eines digitalen Modulationssignals ist es mit SPICE praktisch unmöglich, das erneute Wachstum des Spektrums vorherzusagen.Da etwa 1000 digitale Symbole (Symbole) des Übertragungsvorgangs simuliert werden müssen, um ein repräsentatives Spektrum zu erhalten, und außerdem Hochfrequenzträger kombiniert werden müssen, wird die SPICE-Transientenanalyse dadurch unpraktisch.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 31. März 2022