4 ویژگی مدارهای فرکانس رادیویی

این مقاله 4 ویژگی اساسی مدارهای RF را از چهار جنبه توضیح می دهد: رابط RF، سیگنال مورد انتظار کوچک، سیگنال تداخل بزرگ و تداخل از کانال های مجاور، و عوامل مهمی را ارائه می دهد که نیاز به توجه ویژه در فرآیند طراحی PCB دارند.

شبیه سازی مدار RF رابط RF

فرستنده و گیرنده بی سیم در مفهوم، را می توان به دو بخش فرکانس اساسی و فرکانس رادیویی تقسیم کرد.فرکانس اصلی شامل محدوده فرکانس سیگنال ورودی فرستنده و محدوده فرکانس سیگنال خروجی گیرنده است.پهنای باند فرکانس بنیادی نرخ پایه ای را که در آن داده ها می توانند در سیستم جریان داشته باشند را تعیین می کند.فرکانس اساسی برای بهبود قابلیت اطمینان جریان داده و کاهش بار تحمیل شده توسط فرستنده بر رسانه انتقال در یک نرخ داده معین استفاده می شود.بنابراین، طراحی مدار چاپی مدار فرکانس اساسی نیاز به دانش گسترده ای از مهندسی پردازش سیگنال دارد.مدار RF فرستنده سیگنال فرکانس اساسی پردازش شده را به یک کانال مشخص تبدیل و ارتقاء می دهد و این سیگنال را به محیط انتقال تزریق می کند.برعکس، مدار RF گیرنده سیگنال را از رسانه انتقال دریافت می کند و آن را به فرکانس اصلی تبدیل و کاهش می دهد.

فرستنده ها دو هدف اصلی طراحی PCB دارند: اولین هدف این است که آنها باید مقدار مشخصی از توان را در حالی که کمترین مقدار ممکن را مصرف می کنند منتقل کنند.دوم این است که آنها نمی توانند با عملکرد عادی فرستنده گیرنده در کانال های مجاور تداخل ایجاد کنند.از نظر گیرنده، سه هدف اصلی طراحی PCB وجود دارد: اول، آنها باید سیگنال های کوچک را با دقت بازیابی کنند.دوم، آنها باید قادر به حذف سیگنال های تداخل خارج از کانال مورد نظر باشند.نقطه آخر همان فرستنده است، آنها باید برق بسیار کمی مصرف کنند.

شبیه سازی مدار RF سیگنال های تداخل بزرگ

گیرنده ها باید به سیگنال های کوچک حساس باشند، حتی زمانی که سیگنال های تداخل بزرگ (مسدود کننده ها) وجود دارند.این وضعیت هنگام تلاش برای دریافت سیگنال انتقال ضعیف یا دور با یک فرستنده قدرتمند که در کانال مجاور نزدیک است، ایجاد می شود.سیگنال تداخل ممکن است 60 تا 70 دسی بل بزرگتر از سیگنال مورد انتظار باشد و می تواند دریافت سیگنال معمولی را در فاز ورودی گیرنده با مقدار زیادی پوشش مسدود کند یا باعث شود گیرنده مقدار زیادی نویز در گیرنده ایجاد کند. فاز ورودیاگر گیرنده در مرحله ورودی، توسط منبع تداخل به ناحیه غیرخطی هدایت شود، این دو مشکل ذکر شده در بالا ممکن است رخ دهند.برای جلوگیری از این مشکلات، قسمت جلویی گیرنده باید بسیار خطی باشد.

بنابراین، "خطی بودن" نیز در هنگام طراحی PCB گیرنده یک مورد مهم است.از آنجایی که گیرنده یک مدار باند باریک است، بنابراین غیرخطی بودن اندازه گیری "اعوجاج بین مدولاسیون (اعوجاج بین مدولاسیون)" به آمار است.این شامل استفاده از دو موج سینوسی یا کسینوس با فرکانس مشابه و در باند مرکزی (در باند) برای هدایت سیگنال ورودی، و سپس اندازه‌گیری حاصلضرب اعوجاج درون مدولاسیونی آن است.به طور کلی، SPICE یک نرم‌افزار شبیه‌سازی زمان‌بر و پرهزینه است، زیرا قبل از اینکه بتواند وضوح فرکانس مورد نظر را برای درک اعوجاج به دست آورد، باید چرخه‌های زیادی را انجام دهد.

شبیه سازی مدار RF سیگنال دلخواه کوچک

گیرنده باید برای تشخیص سیگنال های ورودی کوچک بسیار حساس باشد.به طور کلی، توان ورودی گیرنده می تواند به کوچکی 1 میکروولت باشد.حساسیت گیرنده توسط نویز تولید شده توسط مدار ورودی آن محدود می شود.بنابراین، هنگام طراحی گیرنده برای PCB، نویز یک نکته مهم است.علاوه بر این، داشتن توانایی پیش بینی نویز با ابزارهای شبیه سازی ضروری است.شکل 1 یک گیرنده معمولی سوپرهتروداین (سوپرهتروداین) است.سیگنال دریافتی ابتدا فیلتر شده و سپس سیگنال ورودی با تقویت کننده کم نویز (LNA) تقویت می شود.سپس از اولین نوسان ساز محلی (LO) برای ترکیب با این سیگنال استفاده می شود تا این سیگنال به فرکانس متوسط ​​(IF) تبدیل شود.اثربخشی نویز مدار جلویی (جلویی) عمدتاً به LNA، میکسر (میکسر) و LO بستگی دارد.اگر چه استفاده از تجزیه و تحلیل نویز معمولی SPICE، می توانید به دنبال نویز LNA باشید، اما برای میکسر و LO، بی فایده است، زیرا نویز در این بلوک ها، سیگنال LO بسیار بزرگ را به طور جدی تحت تاثیر قرار خواهد داد.

سیگنال ورودی کوچک به گیرنده نیاز دارد که به شدت تقویت شود و معمولاً به 120 دسی بل نیاز دارد.در چنین بهره بالایی، هر سیگنالی که از خروجی (زوج ها) به ورودی متصل شود می تواند مشکلاتی ایجاد کند.دلیل مهم استفاده از معماری گیرنده فوق پرت این است که اجازه می دهد بهره در چندین فرکانس توزیع شود تا شانس جفت شدن کاهش یابد.این همچنین باعث می شود که اولین فرکانس LO متفاوت از فرکانس سیگنال ورودی باشد، می تواند از سیگنال تداخل بزرگ "آلودگی" به سیگنال ورودی کوچک جلوگیری کند.

به دلایل مختلف، در برخی از سیستم های ارتباطی بی سیم، تبدیل مستقیم (تبدیل مستقیم) یا معماری دیفرانسیل داخلی (homodyne) می تواند جایگزین معماری دیفرانسیل فوق العاده بیرونی شود.در این معماری، سیگنال ورودی RF در یک مرحله مستقیماً به فرکانس اصلی تبدیل می شود، به طوری که بیشتر بهره در فرکانس اصلی و LO در همان فرکانس سیگنال ورودی است.در این مورد، تاثیر مقدار کمی کوپلینگ باید درک شود و یک مدل دقیق از "مسیر سیگنال سرگردان" باید ایجاد شود، مانند: جفت شدن از طریق بستر، جفت شدن بین ردپای بسته و خط لحیم کاری (سیم پیوند) و کوپلینگ از طریق کوپلینگ خط برق.

شبیه سازی مدار RF تداخل کانال مجاور

اعوجاج نیز نقش مهمی در فرستنده دارد.غیرخطی بودن تولید شده توسط فرستنده در مدار خروجی ممکن است باعث شود که عرض فرکانس سیگنال ارسالی در کانال های مجاور پخش شود.این پدیده "رشد مجدد طیفی" نامیده می شود.قبل از اینکه سیگنال به تقویت کننده قدرت فرستنده (PA) برسد، پهنای باند آن محدود است.با این حال، "اعوجاج بین مدولاسیون" در PA باعث می شود که پهنای باند دوباره افزایش یابد.اگر پهنای باند بیش از حد افزایش یابد، فرستنده نمی تواند نیازهای برق کانال های مجاور خود را برآورده کند.هنگام انتقال سیگنال مدولاسیون دیجیتال، پیش بینی رشد مجدد طیف با SPICE عملا غیرممکن است.از آنجا که حدود 1000 نماد دیجیتال (نماد) عملیات انتقال باید شبیه سازی شود تا یک طیف نماینده به دست آید، و همچنین باید حامل فرکانس بالا را ترکیب کرد، اینها باعث می شود که تحلیل گذرا SPICE غیرعملی شود.