無線射頻技術(shù)原理及電路設(shè)計(jì)技巧

　　RF（Radio Frequency）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如：電視、廣播、移動(dòng)電話、雷達(dá)、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等。

　　專用詞RFID（射頻識(shí)別）即指應(yīng)用射頻識(shí)別信號(hào)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別。

　　RFID的應(yīng)用包括：

　　ETC（電子收費(fèi)）

　　鐵路機(jī)車車輛識(shí)別與跟蹤

　　集裝箱識(shí)別

　　貴重物品的識(shí)別、認(rèn)證及跟蹤

　　商業(yè)零售、醫(yī)療保健、后勤服務(wù)等的目標(biāo)物管理

　　出入門禁管理

　　動(dòng)物識(shí)別、跟蹤

　　車輛自動(dòng)鎖死（防盜）

　　RF（射頻）專指具有一定波長(zhǎng)可用于無線電通信的電磁波。電磁波可由其頻率表述為：KHz（千赫），MHz（兆赫）及GHz（千兆赫）。其頻率范圍為VLF（極低頻）也即10-30KHz至EHF（極高頻）也即30-300GHz。

　　RFID是一項(xiàng)易于操控，簡(jiǎn)單實(shí)用且特別適合用于自動(dòng)化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)，其所具備的獨(dú)特優(yōu)越性是其它識(shí)別技術(shù)無法企及的。它既可支持只讀工作模式也可支持讀寫工作模式，且無需接觸或瞄準(zhǔn);可自由工作在各種惡劣環(huán)境下;可進(jìn)行高度的數(shù)據(jù)集成。另外，由于該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使RFID具備了極高的安全防護(hù)能力。

　　從概念上來講，RFID 類似于條碼掃描，對(duì)于條碼技術(shù)而言，它是將已編碼的條形碼附著于目標(biāo)物并使用專用的掃描讀寫器利用光信號(hào)將信息由條形磁傳送到掃描讀寫器;而RFID則使用專用的RFID讀寫器及專門的可附著于目標(biāo)物的RFID單元，利用RF信號(hào)將信息由RFID單元傳送至RFID讀寫器。

　　RFID單元中載有關(guān)于目標(biāo)物的各類相關(guān)信息，如：該目標(biāo)物的名稱，目標(biāo)物運(yùn)輸起始終止地點(diǎn)、中轉(zhuǎn)地點(diǎn)及目標(biāo)物經(jīng)過某一地的具體時(shí)間等，還可以載入諸如溫度等指標(biāo)。RFID單元，如標(biāo)簽、卡等可靈活附著于從車輛到載貨底盤的各類物品。

　　RFID技術(shù)所使用的電波頻率為50KHz-5.8GHz，如圖一所示，一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)一般包括以下幾個(gè)部份：

　　一個(gè)載有目標(biāo)物相關(guān)信息的RFID單元（應(yīng)答機(jī)或卡、標(biāo)簽等）

　　在讀寫器及RFID單元間傳輸RF信號(hào)的天線

　　一個(gè)產(chǎn)生RF信號(hào)的RF收發(fā)器（RF transceiver）

　　一個(gè)接收從RFID單元上返回的RF信號(hào)并將解碼的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)以供處理的讀寫器。

　　天線、讀寫器、收發(fā)器及主機(jī)可局部或全部集成為一個(gè)整體，或集成為少數(shù)的部件。不同制造商有各自不同的集成方法。

　?。ㄔ谝陨匣九渲弥猓€應(yīng)包括相應(yīng)的應(yīng)用軟件）

　　射頻技術(shù)—典型的射頻電路

　　射頻電路最主要的應(yīng)用領(lǐng)域就是無線通信，圖1為一個(gè)典型的無線通信系統(tǒng)的框圖，下面以這個(gè)系統(tǒng)為例分析射頻電路在整個(gè)無線通信系統(tǒng)中的作用。

　　這是一個(gè)無線通信收發(fā)機(jī)（《span》tranceiver）的系統(tǒng)模型，它包含了發(fā)射機(jī)電路、接收機(jī)電路以及通信天線。這個(gè)收發(fā)機(jī)可以應(yīng)用于個(gè)人通信和無線局域網(wǎng)絡(luò)中。在這個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)字處理部分主要是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，包括采樣、壓縮、編碼等;然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器變成模擬形式進(jìn)入模擬信號(hào)電路單元。

　　射頻技術(shù)—電路的組成和特點(diǎn)

　　下面，將針對(duì)圖方框圖中的低噪聲放大器（LNA）討論一般射頻電路的組成和特點(diǎn)。

　　上圖給出了這個(gè)放大器的電路板圖，注意到輸入信號(hào)是通過一個(gè)經(jīng)過匹配濾波網(wǎng)絡(luò)輸入放大模塊。放大模塊一般采用晶體管的共射極結(jié)構(gòu)，其輸入阻抗必須與位于低噪聲放大器前面的濾波器的輸出阻抗相匹配，從而保證最佳傳輸功率和最小反射系數(shù)，對(duì)于射頻電路設(shè)計(jì)來說，這種匹配是必須的。此外，低噪聲放大器的輸出阻抗必須與其后端的混頻器輸入阻抗相匹配，同樣能保證放大器輸出的信號(hào)能完全、無反射的輸入到混頻器中去。

　　這些匹配網(wǎng)絡(luò)是由微帶線組成，在有些時(shí)候也可能由獨(dú)立的無源器件組成，但是它們?cè)诟哳l 情況下的電特性與在低頻的情況下完全不同。圖上還可以看出微帶線實(shí)際上是一定長(zhǎng)度和寬度的敷銅帶，與微帶線連接的是片狀電阻、電容和電感。

　　射頻技術(shù)—電路的功率和增益

　　增益、噪聲和非線性是描述射頻電路最常用的指標(biāo)。在射頻和微波系統(tǒng)中，由于反射的普遍存在和理想的短路、開路難以獲得，低頻電路中常用的電壓和電流參數(shù)的測(cè)量變得十分困難，因此，功率的測(cè)量得到了廣泛的應(yīng)用。

　　并且，傳統(tǒng)的射頻和微波電路使用分立元件和傳輸線構(gòu)成，電路的輸入、輸出通常需要匹配到一個(gè)系統(tǒng)阻抗（50Ω或75Ω）。由于上面兩個(gè)原因，電路的性能指標(biāo)，如增益、噪聲、非線性等，都可以通過功率表示出來。

　　為了計(jì)算方便，在射頻和微波工程中常用功率強(qiáng)度對(duì)數(shù)的形式來表示功率，dBm是信號(hào)功率相對(duì)于1mW的對(duì)數(shù)值。

　　有了功率的定義，現(xiàn)在開始討論射頻系統(tǒng)中的一個(gè)重要指標(biāo)：增益。在射頻系統(tǒng)中考慮的功率指的是功率增益，這與電壓增益很容易產(chǎn)生混淆。此外，在射頻系統(tǒng)中，同樣存在多種功率的定義，當(dāng)匹配電路存在時(shí)，可以定義以下功率：

　　PL：負(fù)載獲得的功率

　　Pin：電路的輸入功率

　　Pavs：信號(hào)源能提供的最大功率

　　Pavn：電路能提供的最大功率

　　相應(yīng)的，可以定義三種功率：一般功率增益Gp、轉(zhuǎn)化功率增益GT和資用增益GA。

　　射頻技術(shù)—電路設(shè)計(jì)方法

　　無線發(fā)射器和接收器在概念上，可分為基頻與射頻兩個(gè)部份?；l包含發(fā)射器的輸入信號(hào)之頻率范圍，也包含接收器的輸出信號(hào)之頻率范圍?；l的頻寬決定了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可流動(dòng)的基本速率?；l是用來改善數(shù)據(jù)流的可靠度，并在特定的數(shù)據(jù)傳輸率之下，減少發(fā)射器施加在傳輸媒介（transmission medium）的負(fù)荷。因此，PCB設(shè)計(jì)基頻電路時(shí)，需要大量的信號(hào)處理工程知識(shí)。發(fā)射器的射頻電路能將已處理過的基頻信號(hào)轉(zhuǎn)換、升頻至指定的頻道中，并將此信號(hào)注入至傳輸媒體中。相反的，接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得信號(hào)，并轉(zhuǎn)換、降頻成基頻。

　　發(fā)射器有兩個(gè)主要的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)：第一是它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下，發(fā)射特定的功率。第二是它們不能干擾相鄰頻道內(nèi)的收發(fā)機(jī)之正 常運(yùn)作。就接收器而言，有三個(gè)主要的PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)：首先，它們必須準(zhǔn)確地還原小信號(hào);第二，它們必須能去除期望頻道以外的干擾信號(hào);最后一點(diǎn)與發(fā)射器一樣，它們消耗的功率必須很小。

　　射頻技術(shù)—仿真之大的干擾信號(hào)

　　接收器必須對(duì)小的信號(hào)很靈敏，即使有大的干擾信號(hào)（阻擋物）存在時(shí)。這種情況出現(xiàn)在嘗試接收一個(gè)微弱或遠(yuǎn)距的發(fā)射信號(hào)，而其附近有強(qiáng)大的發(fā)射器在相鄰頻道中廣播。干擾信號(hào)可能比期待信號(hào)大60~70 dB，且可以在接收器的輸入階段以大量覆蓋的方式，或使接收器在輸入階段產(chǎn)生過多的噪聲量，來阻斷正常信號(hào)的接收。如果接收器在輸入階段，被干擾源驅(qū)使進(jìn) 入非線性的區(qū)域，上述的那兩個(gè)問題就會(huì)發(fā)生。為避免這些問題，接收器的前端必須是非常線性的。

　　因此，“線性”也是PCB設(shè)計(jì)接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。由于接收器是窄頻電路，所以非線性是以測(cè)量“交調(diào)失真 （intermodulaTIon distorTIon）”來統(tǒng)計(jì)的。這牽涉到利用兩個(gè)頻率相近，并位于中心頻帶內(nèi)（in band）的正弦波或余弦波來驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)，然后再測(cè)量其交互調(diào)變的乘積。大體而言，SPICE是一種耗時(shí)耗成本的仿真軟件，因?yàn)樗仨殘?zhí)行許多次的循環(huán) 運(yùn)算以后，才能得到所需要的頻率分辨率，以了解失真的情形。

　　射頻技術(shù)—電路仿真之小的期望信號(hào)

　　接收器必須很靈敏地偵測(cè)到小的輸入信號(hào)。一般而言，接收器的輸入功率可以小到1 μV。接收器的靈敏度被它的輸入電路所產(chǎn)生的噪聲所限制。因此，噪聲是PCB設(shè)計(jì)接收器時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。而且，具備以仿真工具來預(yù)測(cè)噪聲的能力是不可或缺的。附圖一是一個(gè)典型的超外差（superheterodyne）接收器。接收到的信號(hào)先經(jīng)過濾波，再以低噪聲放大器（LNA）將輸入信號(hào)放大。然 后利用第一個(gè)本地振蕩器（LO）與此信號(hào)混合，以使此信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻（IF）。前端（front-end）電路的噪聲效能主要取決于LNA、混合器 （mixer）和LO。雖然使用傳統(tǒng)的SPICE噪聲分析，可以尋找到LNA的噪聲，但對(duì)于混合器和LO而言，它卻是無用的，因?yàn)樵谶@些區(qū)塊中的噪聲，會(huì)被很大的LO信號(hào)嚴(yán)重地影響。

　　小的輸入信號(hào)要求接收器必須具有極大的放大功能，通常需要120 dB這么高的增益。在這么高的增益下，任何自輸出端耦合（couple）回到輸入端的信號(hào)都可能產(chǎn)生問題。使用超外差接收器架構(gòu)的重要原因是，它可以將增 益分布在數(shù)個(gè)頻率里，以減少耦合的機(jī)率。這也使得第一個(gè)LO的頻率與輸入信號(hào)的頻率不同，可以防止大的干擾信號(hào)“污染”到小的輸入信號(hào)。

　　因?yàn)椴煌睦碛?，在一些無線通訊系統(tǒng)中，直接轉(zhuǎn)換（direct conversion）或內(nèi)差（homodyne）架構(gòu)可以取代超外差架構(gòu)。在此架構(gòu)中，射頻輸入信號(hào)是在單一步驟下直接轉(zhuǎn)換成基頻，因此，大部份的增益 都在基頻中，而且LO與輸入信號(hào)的頻率相同。在這種情況下，必須了解少量耦合的影響力，并且必須建立起“雜散信號(hào)路徑（stray signal path）”的詳細(xì)模型，譬如：穿過基板（substrate）的耦合、封裝腳位與焊線（bondwire）之間的耦合、和穿過電源線的耦合。

　　射頻技術(shù)—電路仿真之相鄰頻道的干擾

　　失真也在發(fā)射器中扮演著重要的角色。發(fā)射器在輸出電路所產(chǎn)生的非線性，可能使傳送信號(hào)的頻寬散布于相鄰的頻道中。這種現(xiàn)象稱為“頻譜的再成長(zhǎng) （spectral regrowth）”。在信號(hào)到達(dá)發(fā)射器的功率放大器（PA）之前，其頻寬被限制著;但在PA內(nèi)的“交調(diào)失真”會(huì)導(dǎo)致頻寬再次增加。如果頻寬增加的太多，發(fā)射器將無法符合其相鄰頻道的功率要求。當(dāng)傳送數(shù)字調(diào)變信號(hào)時(shí)，實(shí)際上，是無法用SPICE來預(yù)測(cè)頻譜的再成長(zhǎng)。因?yàn)榇蠹s有1000個(gè)數(shù)字符號(hào) （symbol）的傳送作業(yè)必須被仿真，以求得代表性的頻譜，并且還需要結(jié)合高頻率的載波，這些將使SPICE的瞬態(tài)分析變得不切實(shí)際。