Consideraciones de diseño de circuitos RF y PCB

Interfaz RF para simulación de circuito RF


Los transmisores y receptores inalámbricos se pueden dividir conceptualmente en dos partes, la frecuencia fundamental y la frecuencia de radio. La frecuencia fundamental incluye el rango de frecuencia de la señal de entrada del transmisor y el rango de frecuencia de la señal de salida del receptor. El ancho de banda de la frecuencia fundamental determina la velocidad básica a la que los datos pueden fluir en el sistema. La frecuencia base se usa para mejorar la confiabilidad del flujo de datos y reducir la carga colocada en el medio de transmisión por el transmisor a una velocidad de transmisión de datos específica.


Por lo tanto, el diseño de PCB requiere muchos conocimientos de ingeniería de procesamiento de señales al diseñar el circuito de frecuencia fundamental. El circuito de RF del transmisor puede convertir y convertir la señal de banda base procesada al canal especificado e inyectar esta señal en el medio de transmisión. Por el contrario, el circuito de radiofrecuencia del receptor puede obtener la señal del medio de transmisión y convertir y reducir la frecuencia a la frecuencia fundamental.


El transmisor tiene dos objetivos principales de diseño de PCB:


Deben, en la medida de lo posible, emitir una cierta cantidad de energía mientras consumen la menor cantidad de energía.


No deben interferir con el funcionamiento normal de los transceptores en canales adyacentes.


En términos de receptores, hay tres objetivos principales de diseño de PCB: primero, deben reproducir con precisión pequeñas señales; segundo, deben poder eliminar las señales interferentes fuera del canal deseado; y finalmente, como los transmisores, deben consumir energía Muy pequeña.

Grandes señales de interferencia en la simulación de circuitos de RF


El receptor debe ser sensible a pequeñas señales, incluso en presencia de grandes señales interferentes (bloqueadores). Esta situación ocurre cuando se trata de recibir una señal transmitida débil o de largo alcance, y un transmisor potente cercano emite en un canal adyacente. La señal de interferencia puede ser 60 ~ 70 dB mayor que la señal esperada, y puede bloquear la recepción de señales normales con una gran cantidad de cobertura durante la etapa de entrada del receptor, o hacer que el receptor genere un ruido excesivo durante la etapa de entrada. Si el receptor está en la etapa de entrada y la fuente de interferencia lo conduce a una región no lineal, ocurrirán los dos problemas mencionados anteriormente. Para evitar estos problemas, el extremo frontal del receptor debe ser muy lineal.


Por lo tanto, la "linealidad" también es una consideración importante al diseñar un receptor para una PCB. Debido a que el receptor es un circuito de frecuencia estrecha, la no linealidad se mide midiendo "intermodulati on distorTI on". Esto implica conducir la señal de entrada con dos ondas seno o coseno que están cercanas en frecuencia y ubicadas en la banda central, y luego medir el producto de su intermodulación. En términos generales, SPI CE es un tipo de software de simulación que consume tiempo y dinero, porque debe realizar muchas operaciones de bucle para obtener la resolución de frecuencia requerida para comprender la situación de distorsión.


Pequeña señal esperada para simulación de circuito RF


El receptor debe ser sensible a pequeñas señales de entrada. En términos generales, la potencia de entrada del receptor puede ser tan pequeña como 1 μV. La sensibilidad del receptor está limitada por el ruido generado por su circuito de entrada. Por lo tanto, el ruido es una consideración importante al diseñar un receptor para una PCB. Además, la capacidad de predecir el ruido con herramientas de simulación es esencial.


La figura 1 es un receptor superheterodino típico. La señal recibida se filtra y luego la señal de entrada se amplifica mediante un amplificador de bajo ruido (LNA). Esta señal se mezcla con el primer oscilador local (LO) para convertir esta señal en una frecuencia intermedia (IF). El rendimiento de ruido del circuito frontal depende principalmente de LNA, mezclador y LO. Aunque el análisis de ruido SPICE tradicional se puede utilizar para encontrar el ruido del LNA, es inútil para el mezclador y el LO, porque el ruido en estos bloques se verá seriamente afectado por la gran señal LO. La pequeña señal de entrada requiere que el receptor tenga grandes capacidades de amplificación, que generalmente requieren una ganancia de hasta 120 dB. Con una ganancia tan alta, cualquier señal acoplada desde la salida de regreso a la entrada puede causar problemas. Una razón importante para usar una arquitectura de receptor superheterodino es que puede distribuir la ganancia a través de varias frecuencias para reducir la posibilidad de acoplamiento. Esto también hace que la frecuencia del primer LO sea diferente de la frecuencia de la señal de entrada, lo que puede evitar que las señales de interferencia grandes se "contaminen" a señales de entrada pequeñas. Por diferentes razones, en algunos sistemas de comunicación inalámbrica, la conversión directa o la arquitectura homodina pueden reemplazar a la arquitectura súper heterodina. En esta arquitectura, la señal de entrada de RF se convierte directamente a la frecuencia fundamental en un solo paso. Por lo tanto, la mayor parte de la ganancia está en la frecuencia fundamental, y el LO es la misma frecuencia que la señal de entrada. En este caso, debe entenderse la influencia de una pequeña cantidad de acoplamiento, y debe establecerse un modelo detallado de la "ruta de señal parásita", tal como: acoplamiento a través del sustrato, clavijas del paquete y acoplamiento de los cables de unión (Bondwire), y acoplamiento a través de la línea de alimentación.


Interferencia de canales adyacentes en la simulación del circuito de RF


La distorsión también juega un papel importante en el transmisor. La no linealidad producida por el transmisor en el circuito de salida puede extender el ancho de banda de la señal transmitida entre canales adyacentes. Este fenómeno se llama "regeneración espectral". Antes de que la señal llegue al amplificador de potencia (PA) del transmisor, su ancho de banda es limitado; sin embargo, la "distorsión de intermodulación" en el PA hará que el ancho de banda aumente nuevamente.


Si el ancho de banda aumenta demasiado, el transmisor no podrá cumplir con los requisitos de potencia de sus canales adyacentes. Cuando se transmiten señales de modulación digital, de hecho, es imposible predecir el mayor crecimiento del espectro con SPICE. Debido a que se deben simular alrededor de 1000 operaciones de transmisión de símbolos digitales (símbolos) para obtener un espectro de frecuencia representativo, y también es necesario combinar portadoras de alta frecuencia, esto hará que el análisis transitorio SPICE sea poco práctico.