Hier werden die vier grundlegenden Eigenschaften von Hochfrequenzschaltungen unter vier Aspekten interpretiert: Hochfrequenzschnittstelle, kleines gewünschtes Signal, großes Störsignal und Nachbarkanalstörung, und es werden die wichtigen Faktoren angegeben, die im PCB-Designprozess besondere Aufmerksamkeit erfordern.

Hochfrequenzschnittstelle zur Simulation von Hochfrequenzschaltungen

Der drahtlose Sender und Empfänger sind konzeptionell in zwei Teile unterteilt: Grundfrequenz und Funkfrequenz. Die Grundfrequenz umfasst den Frequenzbereich des Eingangssignals des Senders und den Frequenzbereich des Ausgangssignals des Empfängers. Die Bandbreite der Grundfrequenz bestimmt die Grundrate, mit der Daten im System fließen können. Die Grundfrequenz dient dazu, die Zuverlässigkeit des Datenstroms zu verbessern und die Belastung des Übertragungsmediums durch den Sender bei einer bestimmten Datenübertragungsrate zu verringern. Daher sind beim Entwurf einer grundlegenden Frequenzschaltung auf einer Leiterplatte umfangreiche Kenntnisse in der Signalverarbeitungstechnik erforderlich. Der Hochfrequenzschaltkreis des Senders kann das verarbeitete Basisbandsignal auf einen bestimmten Kanal umwandeln und hochkonvertieren und dieses Signal in das Übertragungsmedium einspeisen. Im Gegenteil, die Hochfrequenzschaltung des Empfängers kann das Signal vom Übertragungsmedium erhalten und die Frequenz umwandeln und auf die Grundfrequenz reduzieren.
Sender haben zwei Hauptziele beim PCB-Design: Das erste besteht darin, dass sie eine bestimmte Leistung übertragen und dabei möglichst wenig Strom verbrauchen müssen. Zweitens können sie den normalen Betrieb von Transceivern in benachbarten Kanälen nicht beeinträchtigen. Was den Empfänger betrifft, gibt es drei Hauptziele beim PCB-Design: Erstens müssen sie kleine Signale genau wiederherstellen; Zweitens müssen sie in der Lage sein, Störsignale außerhalb des gewünschten Kanals zu entfernen. Und schließlich müssen sie wie der Sender sehr wenig Strom verbrauchen.

Großes Störsignal der Hochfrequenzschaltungssimulation

Der Empfänger muss sehr empfindlich auf kleine Signale reagieren, auch wenn große Störsignale (Hindernisse) vorhanden sind. Diese Situation tritt auf, wenn versucht wird, ein schwaches oder weit entferntes Übertragungssignal zu empfangen, und ein leistungsstarker Sender in der Nähe auf einem benachbarten Kanal sendet. Das Störsignal kann 60 bis 70 dB größer sein als das erwartete Signal und kann während der Eingangsphase des Empfängers stark abgedeckt werden, oder der Empfänger kann während der Eingangsphase übermäßiges Rauschen erzeugen, das den Empfang normaler Signale blockiert . Wenn der Empfänger während der Eingangsstufe durch die Störquelle in einen nichtlinearen Bereich getrieben wird, treten die beiden oben genannten Probleme auf. Um diese Probleme zu vermeiden, muss das vordere Ende des Empfängers sehr linear sein.
Daher ist „Linearität“ auch ein wichtiger Gesichtspunkt beim PCB-Design des Empfängers. Da es sich beim Empfänger um eine Schmalbandschaltung handelt, wird die Nichtlinearität durch Messung der „Intermodulationsverzerrung“ gemessen. Dabei werden zwei Sinus- oder Kosinuswellen mit ähnlichen Frequenzen im Mittelband zur Ansteuerung des Eingangssignals verwendet und anschließend das Produkt seiner Intermodulation gemessen. Im Allgemeinen handelt es sich bei SPICE um eine zeit- und kostenintensive Simulationssoftware, da viele Schleifenberechnungen durchgeführt werden müssen, um die erforderliche Frequenzauflösung zum Verständnis der Verzerrung zu erhalten.

Kleines erwartetes Signal bei der HF-Schaltungssimulation

Der Empfänger muss sehr empfindlich sein, um kleine Eingangssignale zu erkennen. Im Allgemeinen kann die Eingangsleistung des Empfängers nur 1 μV betragen. Die Empfindlichkeit des Empfängers wird durch das von seinem Eingangskreis erzeugte Rauschen begrenzt. Daher ist Rauschen ein wichtiger Gesichtspunkt beim PCB-Design des Empfängers. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, Lärm mit Simulationstools vorherzusagen, unabdingbar. Abbildung 1 ist ein typischer Superheterodyn-Empfänger. Das empfangene Signal wird zunächst gefiltert und anschließend wird das Eingangssignal durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) verstärkt. Verwenden Sie dann den ersten lokalen Oszillator (LO), um dieses Signal zu mischen und in eine Zwischenfrequenz (IF) umzuwandeln. Das Rauschverhalten der Front-End-Schaltung hängt hauptsächlich vom LNA, Mischer und LO ab. Obwohl die herkömmliche SPICE-Rauschanalyse das Rauschen des LNA finden kann, ist sie für den Mischer und LO nutzlos, da das Rauschen in diesen Blöcken durch das große LO-Signal stark beeinträchtigt wird.
Ein kleines Eingangssignal erfordert eine große Verstärkungsfunktion des Empfängers und erfordert normalerweise eine Verstärkung von 120 dB. Bei einer so hohen Verstärkung kann jedes vom Ausgangsende zurück zum Eingangsende gekoppelte Signal Probleme verursachen. Der wichtige Grund für die Verwendung der Superheterodyn-Empfängerarchitektur besteht darin, dass sie die Verstärkung auf mehrere Frequenzen verteilen kann, um die Wahrscheinlichkeit einer Kopplung zu verringern. Dadurch unterscheidet sich auch die Frequenz des ersten LO von der Frequenz des Eingangssignals, wodurch verhindert werden kann, dass große Störsignale durch kleine Eingangssignale „verunreinigt“ werden.
Aus verschiedenen Gründen kann in einigen drahtlosen Kommunikationssystemen die Superheterodyn-Architektur durch Direktkonvertierung oder Homodyn-Architektur ersetzt werden. Bei dieser Architektur wird das HF-Eingangssignal in einem einzigen Schritt direkt in die Grundfrequenz umgewandelt. Daher liegt der größte Teil der Verstärkung in der Grundfrequenz, und die Frequenz des LO und des Eingangssignals ist gleich. In diesem Fall muss der Einfluss einer geringen Kopplung verstanden werden und ein detailliertes Modell des „Streusignalpfads“ erstellt werden, z. B.: Kopplung durch das Substrat, Gehäusestifte und Bonddrähte (Bondwire) zwischen den Kopplung und die Kopplung über die Stromleitung.

Nachbarkanalinterferenz bei der Simulation von Hochfrequenzschaltungen

Auch beim Sender spielen Verzerrungen eine wichtige Rolle. Die vom Sender im Ausgangskreis erzeugte Nichtlinearität kann die Bandbreite des übertragenen Signals in benachbarten Kanälen spreizen. Dieses Phänomen wird „spektrales Nachwachsen“ genannt. Bevor das Signal den Leistungsverstärker (PA) des Senders erreicht, ist seine Bandbreite begrenzt; aber durch die „Intermodulationsverzerrung“ in der PA steigt die Bandbreite wieder an. Wenn die Bandbreite zu stark erhöht wird, kann der Sender den Leistungsbedarf seiner Nachbarkanäle nicht decken. Bei der Übertragung digital modulierter Signale lässt sich mit SPICE das weitere Wachstum des Spektrums tatsächlich nicht vorhersagen. Da die Übertragung von etwa 1.000 Symbolen (Symbolen) simuliert werden muss, um ein repräsentatives Spektrum zu erhalten, und hochfrequente Trägerwellen kombiniert werden müssen, was die SPICE-Transientenanalyse unpraktisch macht.