무선 주파수 회로의 4가지 특성

이 기사에서는 RF 회로의 4가지 기본 특성을 RF 인터페이스, 작은 예상 신호, 큰 간섭 신호 및 인접 채널의 간섭이라는 네 가지 측면에서 설명하고 PCB 설계 프로세스에서 특별한 주의가 필요한 중요한 요소를 제공합니다.

RF 인터페이스의 RF 회로 시뮬레이션

무선 송신기와 수신기 개념은 기본 주파수와 무선 주파수의 두 부분으로 나눌 수 있습니다.기본 주파수에는 송신기의 입력 신호의 주파수 범위와 수신기의 출력 신호의 주파수 범위가 포함됩니다.기본 주파수의 대역폭은 시스템에서 데이터가 흐를 수 있는 기본 속도를 결정합니다.기본 주파수는 데이터 흐름의 신뢰성을 향상시키고 주어진 데이터 속도에서 전송 매체에 대한 송신기의 부하를 줄이는 데 사용됩니다.따라서 기본 주파수 회로의 PCB 설계에는 신호 처리 엔지니어링에 대한 광범위한 지식이 필요합니다.송신기의 RF 회로는 처리된 기본 주파수 신호를 지정된 채널로 변환 및 업스케일링하고 이 신호를 전송 매체에 주입합니다.반대로, 수신기의 RF 회로는 전송 매체로부터 신호를 획득하고 이를 기본 주파수로 변환하고 축소합니다.

송신기에는 두 가지 주요 PCB 설계 목표가 있습니다. 첫 번째는 가능한 최소한의 전력을 소비하면서 특정 양의 전력을 전송해야 한다는 것입니다.두 번째는 인접한 채널에 있는 트랜시버의 정상적인 작동을 방해할 수 없다는 것입니다.수신기 측면에서는 세 가지 주요 PCB 설계 목표가 있습니다. 첫째, 작은 신호를 정확하게 복원해야 합니다.둘째, 원하는 채널 외부의 간섭 신호를 제거할 수 있어야 합니다.마지막 지점은 송신기와 동일하므로 전력을 거의 소비하지 않아야 합니다.

대규모 간섭 신호의 RF 회로 시뮬레이션

수신기는 큰 간섭 신호(차단기)가 있는 경우에도 작은 신호에 민감해야 합니다.이 상황은 근처의 인접 채널에서 방송하는 강력한 송신기를 사용하여 약하거나 멀리 있는 전송 신호를 수신하려고 할 때 발생합니다.간섭 신호는 예상 신호보다 60~70dB 더 클 수 있으며, 커버리지가 넓은 수신기의 입력 위상에서 정상 신호의 수신을 차단하거나 수신기에서 과도한 양의 잡음을 발생하게 하여 정상 신호의 수신을 차단할 수 있습니다. 입력 단계.위에서 언급한 두 가지 문제는 입력단의 수신기가 간섭 원인으로 인해 비선형 영역으로 구동되는 경우 발생할 수 있습니다.이러한 문제를 방지하려면 수신기의 프런트 엔드가 매우 선형이어야 합니다.

따라서 수신기 PCB를 설계할 때 '선형성'도 중요한 고려 사항입니다.수신기는 협대역 회로이므로 비선형성은 "상호 변조 왜곡(intermodulation distortion)"을 통계적으로 측정하는 것입니다.여기에는 유사한 주파수를 갖고 중앙 대역(대역 내)에 위치한 두 개의 사인파 또는 코사인파를 사용하여 입력 신호를 구동한 다음 상호 변조 왜곡의 곱을 측정하는 작업이 포함됩니다.전반적으로 SPICE는 왜곡을 이해하기 위해 원하는 주파수 분해능을 얻기 전에 많은 사이클을 수행해야 하기 때문에 시간과 비용이 많이 드는 시뮬레이션 소프트웨어입니다.

원하는 작은 신호의 RF 회로 시뮬레이션

수신기는 작은 입력 신호를 감지하려면 매우 민감해야 합니다.일반적으로 수신기의 입력 전력은 1μV만큼 작을 수 있습니다.수신기의 감도는 입력 회로에서 생성된 잡음에 의해 제한됩니다.따라서 PCB용 수신기를 설계할 때 잡음은 중요한 고려사항이다.또한 시뮬레이션 도구를 사용하여 소음을 예측하는 능력도 필수적입니다.그림 1은 일반적인 슈퍼헤테로다인(superheterodyne) 수신기이다.수신된 신호는 먼저 필터링된 다음 입력 신호가 저잡음 증폭기(LNA)로 증폭됩니다.그런 다음 첫 번째 국부 발진기(LO)를 사용하여 이 신호와 혼합하여 이 신호를 중간 주파수(IF)로 변환합니다.프런트엔드(front-end) 회로 노이즈 효율성은 주로 LNA, 믹서(mixer) 및 LO에 따라 달라집니다.기존 SPICE 잡음 분석을 사용하더라도 LNA 잡음을 찾을 수 있지만 믹서와 LO의 경우에는 쓸모가 없습니다. 왜냐하면 이러한 블록의 잡음은 매우 큰 LO 신호에 심각한 영향을 미치기 때문입니다.

작은 입력 신호에는 수신기가 극도로 증폭되어야 하며 일반적으로 120dB의 높은 이득이 필요합니다.이렇게 높은 게인에서는 출력에서 ​​입력으로 다시 결합된 모든 신호가 문제를 일으킬 수 있습니다.슈퍼 아웃라이어 수신기 아키텍처를 사용하는 중요한 이유는 이득이 여러 주파수에 걸쳐 분산되어 결합 가능성을 줄일 수 있다는 것입니다.이는 또한 첫 번째 LO 주파수가 입력 신호 주파수와 다르기 때문에 작은 입력 신호에 대한 큰 간섭 신호 "오염"을 방지할 수 있습니다.

여러 가지 이유로 일부 무선 통신 시스템에서는 직접 변환(직접 변환) 또는 내부 차동(호모다인) 아키텍처가 초외부 차동 아키텍처를 대체할 수 있습니다.이 아키텍처에서는 RF 입력 신호가 단일 단계에서 기본 주파수로 직접 변환되므로 대부분의 이득이 기본 주파수에 있고 LO는 입력 신호와 동일한 주파수에 있습니다.이 경우 소량의 결합이 미치는 영향을 이해해야 하며 기판을 통한 결합, 패키지 풋프린트와 솔더 라인(본드와이어) 사이의 결합과 같은 "부유 신호 경로"의 세부 모델을 설정해야 합니다. , 그리고 전력선 결합을 통한 결합.

인접 채널 간섭의 RF 회로 시뮬레이션

왜곡도 송신기에서 중요한 역할을 합니다.출력 회로에서 송신기에 의해 생성된 비선형성으로 인해 전송된 신호의 주파수 폭이 인접한 채널에 걸쳐 확산될 수 있습니다.이 현상을 "스펙트럼 재성장"이라고 합니다.신호가 송신기의 전력 증폭기(PA)에 도달하기 전에 대역폭이 제한됩니다.그러나 PA의 "상호 변조 왜곡"으로 인해 대역폭이 다시 증가합니다.대역폭이 너무 많이 증가하면 송신기는 인접 채널의 전력 요구 사항을 충족할 수 없습니다.디지털 변조 신호를 전송할 때 SPICE를 사용하여 스펙트럼의 재성장을 예측하는 것은 사실상 불가능합니다.대표 스펙트럼을 얻기 위해서는 전송 작업의 약 1000개 디지털 기호(기호)를 시뮬레이션해야 하고 고주파 반송파를 결합해야 하기 때문에 SPICE 과도 분석이 실용적이지 않게 됩니다.