ここでは、高周波回路の 4 つの基本特性を、高周波インターフェース、小さな希望信号、大きな干渉信号、隣接チャネル干渉の 4 つの側面から解釈し、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。

高周波回路シミュレーションの高周波インターフェース

ワイヤレス送信機と受信機は概念的に、基本周波数と無線周波数の 2 つの部分に分かれています。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 ストリームの信頼性を向上させ、特定のデータ伝送速度の下で送信機が伝送媒体に課す負荷を軽減するために使用されます。したがって、PCB 上の基本周波数回路を設計する際には、多くの信号処理工学の知識が必要です。送信機の無線周波数回路は、処理されたベースバンド信号を指定されたチャネルに変換およびアップコンバートし、この信号を送信媒体に注入することができます。逆に、受信機の高周波回路は、伝送媒体から信号を取得し、その周波数を基本周波数に変換して低減することができます。
トランスミッターには 2 つの主要な 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ることができないことです。受信機に関する限り、PCB 設計の主な目標は 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。 2 番目に、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。最後に、送信機と同様に、消費電力は非常に小さくなければなりません。

高周波回路シミュレーションの大きな干渉信号

受信機は、大きな干渉信号 (障害物) がある場合でも、小さな信号に対して非常に敏感でなければなりません。この状況は、弱いまたは長距離の送信信号を受信しようとしたときに、近くの強力な送信機が隣接するチャネルでブロードキャストを行っているときに発生します。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、受信機の入力段階で大量にカバーされる可能性があります。または、受信機が入力段階で過剰なノイズを生成して通常の信号の受信をブロックする可能性があります。 。入力段階で受信機が干渉源によって非線形領域に駆動されると、上記の 2 つの問題が発生します。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 設計では「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あるため、非線形性は「相互変調歪み」を測定することによって測定されます。これには、同様の周波数を持ち、中心帯域に位置する 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、その相互変調の積を測定することが含まれます。一般に、SPICE は、歪みを理解するために必要な周波数分解能を得るために多くのループ計算を実行する必要があるため、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。

RF 回路シミュレーションで期待される信号が小さい

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、ノイズは受信機の PCB 設計において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受信機です。受信信号は最初にフィルタリングされ、次に入力信号が低ノイズアンプ (LNA) によって増幅されます。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。フロントエンド回路のノイズ性能は主に LNA、ミキサー、LO に依存します。従来の SPICE ノイズ解析では LNA のノイズを検出できますが、ミキサーと LO には役に立ちません。これらのブロックのノイズは大きな LO 信号によって深刻な影響を受けるからです。
小さな入力信号には受信機に優れた増幅機能が必要で、通常は 120 dB のゲインが必要です。このようにゲインが高いと、出力端から入力端に戻る信号が結合されると問題が発生する可能性があります。スーパーヘテロダイン受信機アーキテクチャを使用する重要な理由は、ゲインを複数の周波数に分散して結合の可能性を低減できることです。これにより、最初の LO の周波数が入力信号の周波数と異なるため、大きな干渉信号が小さな入力信号に「混入」するのを防ぐことができます。
さまざまな理由から、一部の無線通信システムでは、スーパーヘテロダイン アーキテクチャをダイレクト コンバージョンまたはホモダイン アーキテクチャに置き換えることができます。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ます。したがって、ゲインの大部分は基本周波数にあり、LO と入力信号の周波数は同じになります。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、パッケージ ピン、およびパッケージ間のボンディング ワイヤ (ボンドワイヤ) を介した結合などです。カップリング、および電源ラインを介したカップリング。

高周波回路シミュレーションにおける隣接チャネル干渉

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、隣接するチャネルの送信信号の帯域幅が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。しかし、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。実際、デジタル変調された信号を送信する場合、SPICE を使用してスペクトルのさらなる成長を予測することはできません。代表的なスペクトルを取得するには約 1,000 個のシンボル (シンボル) の送信をシミュレーションする必要があり、高周波の搬送波を組み合わせる必要があるため、SPICE 過渡解析は非現実的になるためです。