高周波回路の4つの特徴

この記事では、RF 回路の 4 つの基本特性を RF インターフェイス、小さい期待信号、大きい干渉信号、隣接チャネルからの干渉の 4 つの側面から説明し、PCB 設計プロセスで特に注意が必要な重要な要素を示します。

RFのインターフェースのRF回路シミュレーション

無線送信機と受信機の概念では、基本周波数と無線周波数の 2 つの部分に分けることができます。基本周波数には、送信機の入力信号の周波数範囲と受信機の出力信号の周波数範囲が含まれます。基本周波数の帯域幅によって、システム内でデータが流れる基本レートが決まります。基本周波数は、データ フローの信頼性を向上させ、特定のデータ レートで送信機によって伝送媒体に課される負荷を軽減するために使用されます。したがって、基本周波数回路の PCB 設計には、信号処理工学に関する広範な知識が必要です。送信機の RF 回路は、処理された基本周波数信号を指定されたチャネルに変換およびアップスケールし、この信号を送信媒体に注入します。逆に、受信機の RF 回路は伝送メディアから信号を取得し、それを基本周波数に変換してダウンスケールします。

送信機には主に 2 つの PCB 設計目標があります。1 つ目は、消費電力を可能な限り最小限に抑えながら、特定の量の電力を送信する必要があるということです。2 つ目は、隣接するチャネルのトランシーバーの通常の動作を妨げないことです。受信機に関しては、PCB 設計の主な目標が 3 つあります。まず、小さな信号を正確に復元する必要があります。第二に、目的のチャネルの外側の干渉信号を除去できなければなりません。最後の点は送信機と同じで、消費電力は非常に少なくなければなりません。

大きな干渉信号のRF回路シミュレーション

受信機は、大きな干渉信号 (ブロッカー) が存在する場合でも、小さな信号に敏感でなければなりません。この状況は、近くの隣接チャネルでブロードキャストを送信する強力な送信機を使用して、弱いまたは遠く離れた送信信号を受信しようとすると発生します。干渉信号は、予想される信号より 60 ～ 70 dB 大きい可能性があり、広範囲にわたる受信機の入力位相での通常の信号の受信をブロックしたり、受信機が入力フェーズで過剰な量のノイズを生成したりする可能性があります。入力位相。上述の 2 つの問題は、入力段の受信機が干渉源によって非線形領域に陥った場合に発生する可能性があります。これらの問題を回避するには、受信機のフロントエンドが非常に線形である必要があります。

したがって、受信機の PCB を設計する際には「直線性」も重要な考慮事項となります。受信機は狭帯域回路ですので、非直線性は「相互変調歪み（相互変調歪）」を統計的に測定します。これには、中心帯域（帯域内）に位置する同様の周波数の 2 つの正弦波または余弦波を使用して入力信号を駆動し、その相互変調歪みの積を測定することが含まれます。SPICE は、歪みを理解するために必要な周波数分解能を得る前に多くのサイクルを実行する必要があるため、概して、時間とコストがかかるシミュレーション ソフトウェアです。

微小希望信号のRF回路シミュレーション

受信機は小さな入力信号を検出するために非常に感度が高くなければなりません。一般に、レシーバの入力電力は 1 μV 程度まで小さくできます。受信機の感度は、入力回路によって生成されるノイズによって制限されます。したがって、PCB 用のレシーバーを設計する場合、ノイズは重要な考慮事項となります。さらに、シミュレーション ツールを使用してノイズを予測する機能も不可欠です。図 1 は、典型的なスーパーヘテロダイン (スーパーヘテロダイン) 受信機です。受信信号はまずフィルタリングされ、次に入力信号が低ノイズアンプ (LNA) で増幅されます。次に、最初の局部発振器 (LO) を使用してこの信号と混合し、この信号を中間周波数 (IF) に変換します。フロントエンド（フロントエンド）回路のノイズ効果は主にLNA、ミキサー（ミキサー）、LOに依存します。従来の SPICE ノイズ解析を使用して LNA ノイズを探すことはできますが、ミキサーと LO の場合は、これらのブロックのノイズが非常に大きな LO 信号に深刻な影響を与えるため、役に立ちません。

入力信号が小さい場合、受信機は非常に増幅する必要があり、通常は 120 dB もの高いゲインが必要です。このような高いゲインでは、出力から入力に結合される信号によって問題が発生する可能性があります。スーパー外れ値受信機アーキテクチャを使用する重要な理由は、結合の可能性を減らすためにゲインを複数の周波数に分散できることです。これにより、最初の LO 周波数が入力信号周波数と異なるため、小さな入力信号に対する大きな干渉信号の「汚染」を防ぐことができます。

さまざまな理由により、一部の無線通信システムでは、直接変換 (ダイレクト コンバージョン) または内部差動 (ホモダイン) アーキテクチャが超外部差動アーキテクチャに置き換わることがあります。このアーキテクチャでは、RF 入力信号は 1 ステップで基本周波数に直接変換されるため、ゲインの大部分は基本周波数にあり、LO は入力信号と同じ周波数になります。この場合、少量の結合の影響を理解し、「浮遊信号経路」の詳細なモデルを確立する必要があります。たとえば、基板を介した結合、パッケージのフットプリントと半田線（ボンドワイヤ）の間の結合などです。 、および電力線結合を介した結合。

隣接チャネル干渉の RF 回路シミュレーション

歪みも送信機において重要な役割を果たします。出力回路内の送信機によって生成される非線形性により、送信信号の周波数幅が隣接するチャネル間で広がる可能性があります。この現象は「スペクトル再成長」と呼ばれます。信号が送信機のパワーアンプ (PA) に到達する前に、その帯域幅は制限されます。ただし、PA の「相互変調歪み」により帯域幅が再び増加します。帯域幅が増加しすぎると、送信機は隣接するチャネルの電力要件を満たすことができなくなります。デジタル変調信号を送信する場合、SPICE を使用してスペクトルの再拡大を予測することは事実上不可能です。代表的なスペクトルを取得するには、送信動作の約 1000 個のデジタル シンボル (シンボル) をシミュレートする必要があり、高周波搬送波も組み合わせる必要があるため、SPICE 過渡解析は非実用的になります。