今天，射頻技術(shù)和射頻設(shè)備在我們的生活中根深蒂固，如果沒有它們，現(xiàn)代文明如何生存是不可想象的。社會領(lǐng)域嚴重依賴RF信號鏈的例子數(shù)不勝數(shù)，這是我們討論的焦點。

但是，在我們深入研究之前，我們需要了解術(shù)語 RF 的實際含義。乍一看，這似乎是一個簡單的問題。我們都知道RF代表射頻，一個共同的定義將該術(shù)語與電磁頻譜的MHz到GHz部分的特定頻率范圍聯(lián)系起來。然而，如果我們仔細研究其公認的定義并進行比較，我們就會意識到它們都以不同的方式定義頻譜RF部分的實際邊界。鑒于我們可能經(jīng)常在與特定頻率完全無關(guān)的其他上下文中遇到該術(shù)語的更廣泛用法，這一點變得更加令人費解。那么什么是射頻？

通過關(guān)注RF的區(qū)別特征，包括相移、電抗、耗散、噪聲、輻射、反射和非線性，可以建立其定義傳達多種意義的一致基礎(chǔ)。1該基礎(chǔ)代表了一個現(xiàn)代的包羅萬象的定義，它不依賴于單個方面或特定的數(shù)值來區(qū)分RF與其他術(shù)語。術(shù)語RF可以應用于任何電路或組件，這些電路或組件共享許多作為其定義基礎(chǔ)的特征。

現(xiàn)在我們已經(jīng)為我們的討論設(shè)定了背景，我們可以繼續(xù)討論其主要主題，并考慮圖1中以通用形式描述的RF信號鏈。它的表示使用分布式元件電路模型來解釋電路上的相移，這在較短的RF波長下不可忽略，使得集總電路近似不適用于這些類型的系統(tǒng)。RF信號鏈可能包括各種分立元件，如衰減器、開關(guān)、放大器、檢波器、頻率合成器和其他RF模擬器件，以及高速ADC和DAC。所有這些組件組合在一起服務(wù)于特定應用，其整體指示性能將由其組成分立部件的復合性能決定。

圖1.通用射頻信號鏈。

因此，為了設(shè)計滿足目標應用特定要求的系統(tǒng)，RF系統(tǒng)工程師必須獲得實質(zhì)性的系統(tǒng)級視角，并對其背后的關(guān)鍵概念和原理有一致的理解。這種知識的重要性促使了這一話語的創(chuàng)作，該話語由兩部分組成。第一部分的目標是就用于表征RF器件和量化其性能的主要特性和指標提供簡明的指導。第二部分的目標是對可用于為所需應用開發(fā)RF信號鏈的各種單個組件及其類型進行結(jié)構(gòu)良好的概述。在本文中，我們將重點討論第一部分，并考慮與RF系統(tǒng)相關(guān)的主要屬性和性能指標。

射頻術(shù)語簡介

用于表征完整RF系統(tǒng)及其分立構(gòu)建模塊的規(guī)格范圍很廣。根據(jù)應用程序或用例，其中一些特征可能是最重要的，而其他特征則不那么重要或不相關(guān)。當然不可能在本文范圍內(nèi)對這樣一個復雜的主題進行全面的分析。盡管如此，我們將嘗試通過遵循共同的主線，對最常見的射頻性能方面進行簡明而全面的概述，這些共同主線應將其復雜的星座塑造成一個平衡且易于理解的射頻系統(tǒng)特性和特性指南。

基本屬性

散射矩陣（或S矩陣）是描述RF系統(tǒng)行為需要知道的基本術(shù)語。S矩陣允許我們將最復雜的RF網(wǎng)絡(luò)表示為簡單的N端口黑匣子。圖 2 顯示了 2 端口 RF 網(wǎng)絡(luò)（例如放大器、濾波器或衰減器）的常見示例，其中 V 是入射到端口 n 上的電壓波的復數(shù)幅度，V+–是從端口 n 反射的電壓波的復振幅。2當其所有端口都以匹配負載端接時，我們可以通過散射矩陣來描述該網(wǎng)絡(luò)，散射矩陣的元件或 S 參數(shù)根據(jù)這些電壓波之間的關(guān)系量化射頻能量如何在系統(tǒng)中傳播。現(xiàn)在讓我們使用 S 參數(shù)來表示典型 RF 網(wǎng)絡(luò)的主要屬性。

圖2.由其 S 矩陣描述的 2 端口網(wǎng)絡(luò)。

S21相當于網(wǎng)絡(luò)匹配時從端口 1 到端口 2 的傳輸系數(shù)（S12可以類似地定義）。其規(guī)模|S21|在對數(shù)刻度中描述了輸出功率與輸入功率的比值，稱為增益或標量對數(shù)增益。此參數(shù)是放大器和其他RF系統(tǒng)的關(guān)鍵屬性，在該系統(tǒng)中，它也可以取負值。負增益表示固有損耗或失配損耗，通常由其倒數(shù)表示，稱為插入損耗（IL），這是衰減器和濾波器的典型屬性。

如果我們現(xiàn)在考慮同一端口的入射波和反射波，我們可以定義 S11和 S22如圖2所示。這些項等效于反射系數(shù)|Γ|在相應的端口上，當另一個端口在匹配負載中終止時。使用公式1，我們可以將反射系數(shù)的大小與回波損耗（RL）相關(guān)聯(lián)：

回波損耗描述了端口上的入射功率與反射回源的功率之比。根據(jù)我們估計該比率的端口，我們可以區(qū)分輸入和輸出回波損耗。回波損耗始終為非負量，表示網(wǎng)絡(luò)的輸入或輸出阻抗與端口處朝向源極的阻抗的匹配程度。

需要注意的是，IL 和 RL 與 S 參數(shù)的這種簡單關(guān)系僅在所有端口都匹配的情況下有效，這是定義描述網(wǎng)絡(luò)本身的 S 矩陣的主要條件。如果網(wǎng)絡(luò)不匹配，它不會改變其固有的S參數(shù)，但它肯定會改變其端口的反射系數(shù)以及它們之間的傳輸系數(shù)。2

頻率范圍和帶寬

我們剛剛描述的所有這些基本量將在整個頻率范圍內(nèi)不斷變化，這是所有RF系統(tǒng)共有的基本特征。它定義了這些系統(tǒng)的可操作頻率，并將我們帶到了一個更關(guān)鍵的性能指標——帶寬（BW）。

雖然該術(shù)語可能僅指信號屬性，但其某些形式用于描述處理這些信號的RF系統(tǒng)。在其一般定義中，帶寬定義了受特定標準限制的頻率范圍。但是，它可能具有不同的含義，具體取決于特定的應用程序上下文。為了使我們的論述更完整，讓我們對其含義的一些變體給出簡要定義：

3 dB BW 是信號功率電平高于其最大值一半的頻率范圍。

瞬時帶寬 （IBW） 或?qū)崟r帶寬定義了系統(tǒng)無需重新調(diào)諧即可生成或獲取的最大連續(xù)帶寬。

占用帶寬 （OBW） 是包含總集成信號功率指定百分比的頻率范圍。

分辨率BW（RBW）的一般含義描述了仍然可以解析的兩個頻率分量之間的最小間隔。例如，在頻譜分析儀系統(tǒng)中，它是最終濾波器級的頻率跨度。

這些只是各種類型的帶寬定義的幾個示例;然而，無論其含義如何，RF信號鏈的帶寬在很大程度上取決于其模擬前端以及高速模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣速率和帶寬。

非線性

需要提到的是，RF系統(tǒng)的特性不僅在不同的頻率上有所不同，而且在信號的不同功率水平上也有所不同。我們在本文開頭描述的基本屬性通常使用小信號 S 參數(shù)表示，這些參數(shù)不考慮非線性效應。然而，在一般情況下，通過RF網(wǎng)絡(luò)的功率水平的持續(xù)增加通常會導致更明顯的非線性效應，最終降低其性能。

當我們談?wù)摼哂辛己镁€性度的RF系統(tǒng)或組件時，我們通常是指描述其非線性性能的關(guān)鍵指標滿足目標應用的要求。讓我們考慮一些通常用于量化RF系統(tǒng)非線性行為的關(guān)鍵指標。

我們應該考慮的第一個參數(shù)定義了通用器件從線性模式轉(zhuǎn)換到非線性模式的點：輸出 1 dB 壓縮點 （OP1dB）。這是系統(tǒng)增益降低1 dB時的輸出功率電平。這是任何功率放大器的基本特性，它將器件的操作設(shè)置為由飽和輸出功率定義的飽和水平（P坐).功率放大器通常屬于信號鏈的最后階段，因此這些參數(shù)通常定義了RF系統(tǒng)的輸出功率范圍。

一旦系統(tǒng)處于非線性模式，它就會開始使信號失真，產(chǎn)生雜散頻率分量或雜散。雜散是相對于載波信號電平（以dBc為單位）測量的，它們可以分為諧波和互調(diào)產(chǎn)物（見圖3）。諧波是在基頻的整數(shù)倍處發(fā)現(xiàn)的信號（例如，H1、H2、H3 諧波），而互調(diào)產(chǎn)物是當非線性系統(tǒng)中存在兩個或多個基波信號時出現(xiàn)的信號。如果第一個基波信號的頻率為 f1第二個是在 f2，則在其和頻和差頻f處找到二階互調(diào)積1+ f2和 f2– f1以及 f1+ f1和 f2+ f2（后者已經(jīng)被我們稱為H2諧波）。二階交調(diào)產(chǎn)物和基波信號的組合產(chǎn)生三階互調(diào)產(chǎn)物，其中兩個（2f）1– f2和 2f2– f1）尤其重要，因為它們接近原始信號，因此不容易濾波。具有雜散頻率分量的非線性RF系統(tǒng)的輸出頻譜表示互調(diào)失真（IMD），這是描述系統(tǒng)非線性度的重要術(shù)語。2

圖3.諧波和互調(diào)產(chǎn)物。

與二階交調(diào)失真（IMD2）和三階交調(diào)失真（IMD3）相關(guān)的雜散分量會對目標信號造成干擾。用于量化其嚴重性級別的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)是截距點 （IP）。我們可以區(qū)分二階（IP2）和三階（IP3）截點。如圖4所示，它們定義了輸入（IIP2、IIP3）和輸出（OIP2、OIP3）信號功率電平的假設(shè)點，在該點下，相應雜散元件的功率將達到與基波元件相同的電平。雖然截點是一個純粹的數(shù)學概念，但它是RF系統(tǒng)對非線性效應容差的最重要度量。

圖4.非線性特性的定義。

噪聲

現(xiàn)在讓我們考慮每個RF系統(tǒng)固有的另一個重要屬性——噪聲。該術(shù)語描述了包含許多不同方面的電信號波動。根據(jù)其頻譜以及它影響信號的方式和產(chǎn)生信號的機制，噪聲可以分為許多不同的類型和形式。然而，盡管存在許多不同的噪聲源變化，但我們不需要深入研究它們的物理特性來描述它們對系統(tǒng)性能的最終影響。我們可以依靠系統(tǒng)的簡化噪聲模型，該模型使用由稱為噪聲系數(shù)（NF）的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)描述的單個理論噪聲發(fā)生器。它量化了系統(tǒng)引起的信噪比（SNR）的下降，并定義為輸出端SNR與輸入端SNR的對數(shù)比。以線性刻度表示的噪聲系數(shù)稱為噪聲因子。這是任何射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵屬性，可以控制其整體性能。

對于簡單的線性無源器件，噪聲系數(shù)等于其插入損耗，由|S21|.在由多個有源和無源元件組成的更復雜的RF系統(tǒng)中，由其各自的噪聲因子描述，F(xiàn)我和功率增益，G我，噪聲根據(jù)弗里斯公式沿信號鏈級聯(lián)（假設(shè)阻抗在每個階段都匹配）：

由此我們可以得出結(jié)論，RF信號鏈中的前兩級是系統(tǒng)整體噪聲系數(shù)的主要貢獻者。這就是為什么在接收器信號鏈的前端使用噪聲系數(shù)最低的元件（如低噪聲放大器）的原因。

如果我們現(xiàn)在考慮專門用于信號生成的設(shè)備或系統(tǒng)，以表征其噪聲性能，則更常見的是參考受其噪聲源影響的信號特性。這些特性是相位抖動和相位噪聲，它們是相互關(guān)聯(lián)的術(shù)語，表示信號在時間（抖動）和頻域（相位噪聲）中的穩(wěn)定性。首選哪一個通常取決于應用，例如，在RF通信中，通常使用術(shù)語相位噪聲，而在數(shù)字系統(tǒng)中，我們經(jīng)常會看到術(shù)語抖動。相位抖動定義了信號相位的微小波動，而相位噪聲描述了其頻譜表示，其特征在于相對于載波不同偏移時1 Hz帶寬中包含的載波的噪聲功率水平，并被認為在該帶寬上是均勻的（見圖5）。

圖5.相位噪聲特性示例（1 Hz帶寬不按比例計算）。

多重衍生品

到目前為止，我們考慮的最重要的品質(zhì)因數(shù)是用于各種應用領(lǐng)域中RF信號鏈性能量化的各種導數(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)。例如，術(shù)語噪聲和雜散的組合會導致術(shù)語動態(tài)范圍（DR）的定義。它描述了系統(tǒng)具有理想特性的工作范圍。如圖4所示，如果該范圍在低端受到噪聲的限制，而在高端受到壓縮點的限制，我們談?wù)摼€性動態(tài)范圍（LDR）;如果其高端由互調(diào)失真變得不可接受的最大功率電平定義，我們談?wù)摕o雜散動態(tài)范圍（SFDR）。應該注意的是，根據(jù)應用的不同，術(shù)語LDR和SFDR的實際定義可能會有所不同。2

系統(tǒng)可以處理以產(chǎn)生具有指定SNR的輸出信號的最低信號電平定義了接收器系統(tǒng)的另一個典型重要特性，稱為靈敏度。這主要取決于系統(tǒng)噪聲系數(shù)和信號帶寬。接收器固有的噪聲限制了其靈敏度以及其他系統(tǒng)規(guī)格。例如，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的相位噪聲或抖動將導致眼圖中的星座點偏離其理想位置，從而降低系統(tǒng)的誤差矢量幅度（EVM）并導致更高的誤碼率（BER）。

結(jié)論

有許多屬性和性能指標可用于RF信號鏈的表征。它們涉及不同的系統(tǒng)方面，其重要性和相關(guān)性可能因應用程序而異。雖然不可能在一篇文章中考慮所有這些，但對本部分討論的基本特性的實質(zhì)性理解將使RF工程師能夠輕松地將它們轉(zhuǎn)化為目標應用的一些關(guān)鍵要求和規(guī)格，無論是雷達、通信、測量還是任何其他RF系統(tǒng)。

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審核編輯：郭婷