射频电路设计简述

什么是射频电路

射频简称RF，射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于一千次的交流电称为低频电流，大于一千次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。

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，有时也要用RF的相关理论来处理。

典型射频电路方框图

这是一个无线通信收发机的系统模型，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AD转换器转换器变成模拟形式进入模拟信号电路单元。

射频电路如何布局

1.尽可能地把高功率RF放大器和低噪音放大器隔离开来，简单地说，就是让高功率RF发射电路远离低功率RF接收电路

2.确保PCB板上高功率区至少有一整块地，最好上面没有过孔，当然，铜箔面积越大越好。

3.电路和电源去耦同样也极为重要。

4.RF输出通常需要远离RF输入

5.敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和RF信号。

射频电路原理

射频电路原理分三个部分，首先是接收电路的结构和工作原理，然后发射电路的结构和工作原理，最后本振电路的结构和工作原理。

接收时，天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号经滤波，高频放大后，送入中频内进行解调，得到接收基带信息。送到逻辑音频电路进一步处理。

电路结构：接收电路由天线、天线开关、滤波器、高放管、中频集成块等电路组成。早期手机有一级、二级混频电路，其目的把接收频率降低后再解调。

发射时，把逻辑电路处理过的发射基带信息调制成的发射中频，把发射中频信号频率上变为GSM的频率信号。经功放放大后由天线转为电磁波辐射出去。

电路结构：发射电路由中频内部的发射调制器、发射鉴相器；发射压控振荡器、功率放大器、功率控制器、发射互感器等电路组成。

而本振电路产生四段不带任何信息的本振频率信号；送入中频内部，接收时，对接收信号进行解调；发射时，对发射基带信息进行调制和发射鉴相。

手机本振电路有四种电路结构：A，由频率合成集成块、接收压控振荡器、基准时钟、预设频率参考数据组成。

B，把频率合成集成块集成在中频内部，结合外接、接收压控振荡器组成。

C，把频率合成集成块、接收压控振荡器集成一体，称本振集成块或本振舐IC。

D，把频率合成集成块、接收压控振荡器集成在中频内部。

值得注意的是：无论采用何种结构模式，只是产生的频率不同；其工作原理，产生的频率信号的走向和作用都一样的。

射频电路应用

射频电路应用领域有ETC、铁路机车车辆识别跟踪、集装箱识别、出入门禁管理、动物识别、跟踪、车辆自动锁死等等，还有很多，就没有一一列举了。

射频电路设计

四大方面教你如何设计射频电路：射频电路仿真之射频的界面、射频电路仿真之大的干扰信号、射频电路仿真之小的期望信号、射频电路仿真之相邻频道的干扰。

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。

接收器必须对小的信号很灵敏，即使有大的干扰信号存在时。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六十到七十分贝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”来统计的。这牵涉到利用两个频率相近，并位于中心频带内的正弦波或、余弦波来驱动输入信号，然后再测量其交互调变的乘积。

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”。在信号到达发射器的功率放大器之前，其频宽被限制着；但在功率放大器内的“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。

接收器必须很灵敏地侦测到小的输入信号。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。

射频电路设计的常见问题

数字电路模块和模拟电路模块之间的干扰

如果模拟电路和数字电路单独工作，可能各自工作良好。但是，一旦将二者放在同一块电路板上，使用同一个电源一起工作，整个系统很可能就不稳定。这主要是因为数字信号频繁地在地和正电源之间摆动，而且周期特别短，常常是纳秒级的。由于较大的振幅和较短的切换时间。使得这些数字信号包含大量且独立于切换频率的高频成分。在模拟部分，从无线调谐回路传到无线设备接收部分的信号一般小于1。因此数字信号与射频信号之间的差别会达到一百二十分贝。显然，如果不能使数字信号与射频信号很好地分离。微弱的射频信号可能遭到破坏，这样一来，无线设备工作性能就会恶化，甚至完全不能工作。

供电电源的噪声干扰

射频电路对于电源噪声相当敏感，尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸入大部分电流，这是由于现代微控制器都采用C mos工艺制造。因此。假设一个微控制器以一兆赫兹的内部时钟频率运行，它将以此频率从电源提取电流。如果不采取合适的电源去耦。必将引起电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺到达电路RF部分的电源引脚，严重时可能导致工作失效。

不合理的地线

如果RF电路的地线处理不当，可能产生一些奇怪的现象。对于数字电路设计，即使没有地线层，大多数数字电路功能也表现良好。而在RF频段，即使一根很短的地线也会如电感器一样作用。如果不采用地线层，大多数地线将会较长，电路将无法具有设计的特性。

天线对其他模拟电路部分的辐射干扰

在PCB电路设计中，板上通常还有其他模拟电路。例如，许多电路上都有模数转换或数模转换器。如果模数转换输入端处理不合理，RF信号可能在转换器输入的静电保护二极管内自激。从而引起转换器偏差。