Ici, les quatre caractéristiques de base des circuits radiofréquence seront interprétées sous quatre aspects : l'interface radiofréquence, le petit signal souhaité, le grand signal d'interférence et l'interférence du canal adjacent, et les facteurs importants qui nécessitent une attention particulière dans le processus de conception des PCB sont donnés.

Interface radiofréquence de simulation de circuit radiofréquence

L'émetteur et le récepteur sans fil sont conceptuellement divisés en deux parties : la fréquence de base et la fréquence radio. La fréquence fondamentale comprend la plage de fréquences du signal d'entrée de l'émetteur et celle du signal de sortie du récepteur. La bande passante de la fréquence fondamentale détermine le débit fondamental auquel les données peuvent circuler dans le système. La fréquence de base permet d'améliorer la fiabilité du flux de données et de réduire la charge imposée par l'émetteur au support de transmission à un débit donné. Par conséquent, la conception d'un circuit de fréquence fondamentale sur un circuit imprimé requiert des connaissances approfondies en ingénierie du traitement du signal. Le circuit radiofréquence de l'émetteur peut convertir et sur-convertir le signal en bande de base traité vers un canal spécifique, puis injecter ce signal dans le support de transmission. À l'inverse, le circuit radiofréquence du récepteur peut obtenir le signal du support de transmission, puis convertir et abaisser la fréquence à la fréquence de base.
La conception des circuits imprimés de l'émetteur répond à deux objectifs principaux : transmettre une puissance spécifique tout en consommant le moins d'énergie possible. Le second est de ne pas perturber le fonctionnement normal des émetteurs-récepteurs des canaux adjacents. Quant au récepteur, la conception des circuits imprimés répond à trois objectifs principaux : restituer avec précision les faibles signaux ; supprimer les signaux parasites hors du canal souhaité ; et enfin, comme l'émetteur, consommer très peu d'énergie.

Grand signal d'interférence de simulation de circuit radiofréquence

Le récepteur doit être très sensible aux faibles signaux, même en présence d'interférences importantes (obstructions). Ce problème se produit lorsqu'on tente de recevoir un signal de transmission faible ou longue distance, alors qu'un émetteur puissant à proximité diffuse sur un canal adjacent. Le signal interférent peut être de 60 à 70 dB supérieur au signal attendu et peut être largement masqué pendant la phase d'entrée du récepteur. Ce dernier peut également générer un bruit excessif pendant cette phase, bloquant la réception des signaux normaux. Si le récepteur est entraîné dans une zone non linéaire par la source d'interférence pendant la phase d'entrée, les deux problèmes mentionnés ci-dessus se produiront. Pour éviter ces problèmes, l'entrée du récepteur doit être très linéaire.
Par conséquent, la « linéarité » est également un facteur important à prendre en compte lors de la conception du circuit imprimé du récepteur. Le récepteur étant un circuit à bande étroite, la non-linéarité est mesurée par la « distorsion d'intermodulation ». Cette mesure consiste à utiliser deux ondes sinusoïdales ou cosinusoïdales de fréquences similaires et situées dans la bande centrale pour piloter le signal d'entrée, puis à mesurer le produit de leur intermodulation. De manière générale, SPICE est un logiciel de simulation long et coûteux, car il doit effectuer de nombreux calculs de boucle pour obtenir la résolution en fréquence requise et comprendre la distorsion.

Faible signal attendu dans la simulation de circuit RF

Le récepteur doit être très sensible pour détecter les faibles signaux d'entrée. En général, la puissance d'entrée du récepteur peut descendre jusqu'à 1 μV. La sensibilité du récepteur est limitée par le bruit généré par son circuit d'entrée. Le bruit est donc un facteur important à prendre en compte lors de la conception du circuit imprimé du récepteur. De plus, la capacité à prédire le bruit à l'aide d'outils de simulation est indispensable. La figure 1 illustre un récepteur superhétérodyne typique. Le signal reçu est d'abord filtré, puis le signal d'entrée est amplifié par un amplificateur à faible bruit (LNA). Le premier oscillateur local (OL) est ensuite utilisé pour mélanger ce signal afin de le convertir en fréquence intermédiaire (FI). Les performances en bruit du circuit frontal dépendent principalement du LNA, du mélangeur et de l'OL. Bien que l'analyse de bruit SPICE traditionnelle permette de détecter le bruit du LNA, elle est inutile pour le mélangeur et l'OL, car le bruit de ces blocs sera fortement affecté par le signal important de l'OL.
Un faible signal d'entrée nécessite une amplification importante du récepteur, généralement avec un gain de 120 dB. Avec un gain aussi élevé, tout signal couplé de la sortie vers l'entrée peut poser problème. L'architecture de récepteur superhétérodyne a pour principal avantage de pouvoir répartir le gain sur plusieurs fréquences afin de réduire les risques de couplage. De plus, la fréquence du premier oscillateur local diffère de celle du signal d'entrée, ce qui permet d'éviter que des signaux parasites importants ne soient « contaminés » par de faibles signaux d'entrée.
Pour diverses raisons, dans certains systèmes de communication sans fil, l'architecture à conversion directe ou homodyne peut remplacer l'architecture superhétérodyne. Dans cette architecture, le signal d'entrée RF est directement converti à la fréquence fondamentale en une seule étape. Par conséquent, la majeure partie du gain se situe à la fréquence fondamentale, et la fréquence de l'oscillateur local et celle du signal d'entrée sont identiques. Dans ce cas, il est nécessaire de comprendre l'influence d'un faible couplage et d'établir un modèle détaillé du « chemin du signal parasite », par exemple : couplage via le substrat, les broches du boîtier et les fils de liaison (Bondwire) entre le couplage et le couplage via la ligne électrique.

Interférence de canal adjacent dans la simulation de circuit radiofréquence

La distorsion joue également un rôle important dans l'émetteur. La non-linéarité générée par l'émetteur dans le circuit de sortie peut étaler la bande passante du signal transmis dans les canaux adjacents. Ce phénomène est appelé « recroissance spectrale ». Avant que le signal n'atteigne l'amplificateur de puissance (AP) de l'émetteur, sa bande passante est limitée ; mais la « distorsion d'intermodulation » dans l'AP entraîne une nouvelle augmentation de la bande passante. Si la bande passante est trop élevée, l'émetteur ne pourra pas répondre aux besoins en puissance des canaux adjacents. En effet, lors de la transmission de signaux modulés numériquement, SPICE ne permet pas de prédire la croissance future du spectre. En effet, la transmission d'environ 1 000 symboles (symbole) devant être simulée pour obtenir un spectre représentatif, et les ondes porteuses haute fréquence devant être combinées, l'analyse transitoire SPICE est impraticable.