從歷史的角度來看,，就在不久之前,，也就是20世紀初,，支持RF信號鏈的RF工程學還是一門新興的學科,。如今,，RF技術和射頻器件深深根植于我們的生活,，沒有它們,，現(xiàn)代文明可能不會存在,。生活中有無數(shù)非常依賴RF信號鏈的示例,，這將是我們討論的焦點。

　　在我們深入探討之前,，我們先來了解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表示射頻,，此術語的通用定義規(guī)定了特定的頻率范圍：MHz至GHz電磁頻譜。但是,，如果我們仔細查看其定義并進行比較,，就會發(fā)現(xiàn)，它們只是對RF頻譜的實際邊界的定義不同,。鑒于我們可能經常在與特定頻率無關的其他環(huán)境中廣泛使用該術語,，所以，此術語變得更加令人費解,。那么,，RF是什么？

　　通過關注RF的突出特性,，包括相移,、電抗、耗散,、噪聲,、輻射、反射和非線性,，可以確立一致的定義基礎,，涵蓋多種含義。1這個基礎代表了現(xiàn)代包羅萬象的定義,，不依賴于單個方面或特定數(shù)值來區(qū)分RF和其他術語,。術語RF適用于許多具有構成此定義 特性的任何電路或組件。

　　我們已設定了本次探討的背景,，現(xiàn)在可以開始進入正題,，分析圖1中的通用RF信號鏈。其中使用分布式元件電路模型來體現(xiàn)電路中的相位偏移,，在較短的RF波長下這種偏移不可忽略,，因此該集總電路的近似表示不適用于這些類型的系統(tǒng)。RF信號鏈中可能包括各種各樣的分立式組件,，如衰減器,、開關、放大器,、檢測器,、合成器和其他RF模擬器件，以及高速ADC和DAC,。將所有這些組件組合起來用于特定應用,，其總體標稱性能將取決于這些分立式組件的組合性能。

　　圖1.一個通用RF信號鏈

　　因此，為了設計一個能夠滿足目標應用的特定系統(tǒng),，RF系統(tǒng)工程師必須能夠真正從系統(tǒng)級視角考慮，且對基礎的關鍵概念和原則有一致的理解,。這些知識儲備非常重要,，為此，我們編寫了這篇討論文章,，它包含兩個部分,。第一部分的目標是：簡要介紹用于確定RF器件的特性和量化其性能的主要特性和指標。第二部分的目標是：深入介紹可用于針對所需應用開發(fā)RF信號鏈的各種單個組件及其類型,。在本文中,，我們將重點討論第一部分，并考慮與RF系統(tǒng)相關的主要特性和性能指標,。

　　RF術語簡介

　　目前有多種參數(shù)用于描述整個RF系統(tǒng)及其分立式模塊的特性,。根據(jù)應用或用例，其中一些特性可能極其重要,，其他特性則不太重要或無關緊要,。僅通過本文，肯定無法對如此復雜的主題展開全面分析,。但是,，我們將嘗試按照共同的思路，也就是將一系列復雜的相關內容轉變?yōu)槠胶?、易于理解的RF系統(tǒng)屬性和特性指南,，從而簡明全面地概述最常見的RF性能。

　　基本特性

　　散射矩陣（或S矩陣）是在描述RF系統(tǒng)行為時需要用到的一個基本術語,。我們可以使用S矩陣,，將復雜的RF網絡表示為簡單的N端口黑盒。常見的2端口RF網絡（例如放大器,、濾波器或衰減器）示例如圖2所示,，其中Vn+是n端口入射波電壓的復振幅，Vn- 是n端口反射波電壓的復振幅,。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絡，其中的元素（或S參數(shù)）根據(jù)這些電壓波之間的關系來量化RF能量如何通過系統(tǒng)傳播?，F(xiàn)在,，我們使用S參數(shù)來表示典型RF網絡的主要特性。

　　圖2.用S矩陣表示的2端口網絡

　　在網絡匹配的情況下,，S21相當于端口1到端口2的傳輸系數(shù)（S12也可以按類似方法定義）,。以對數(shù)標度表示的幅度|S21|代表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)的重要指標,，它也可以取負值,。負增益表示固有損耗或失配損耗，通常用其倒數(shù)表示,，即插入損耗（IL）,，這是衰減器和濾波器的典型指標。

　　如果我們現(xiàn)在考慮同一端口的入射波和反射波,，則可以如圖2所示來定義S11和S22,。當其他端口以匹配負載端接時，這些項相當于相應端口的反射系數(shù)|Γ|,。根據(jù)公式1,，我們可以將反射系數(shù)的大小與回波損耗（RL）相關聯(lián)：

　　回波損耗是指端口的入射功率與源極的反射功率之比。根據(jù)我們估算這個比值使用的端口,，我們可以區(qū)分輸入和輸出回波損耗,。回波損耗始終是非負值,，表示網絡的輸入或輸出阻抗與朝向源極的端口阻抗的匹配程度,。

　　需要注意的是，IL和RL與S參數(shù)的這種簡單關系只有在所有端口都匹配的情況下才有效,，這是定義網絡本身的S矩陣的前提條件,。如果網絡不匹配，它不會改變其固有的S參數(shù),，但可能會改變其端口的反射系數(shù)以及端口之間的傳輸系數(shù),。

　　頻率范圍和帶寬

　　我們描述的所有這些基本量將在頻率范圍內不斷變化，這是所有RF系統(tǒng)的共同基本特性,。它定義了這些系統(tǒng)所支持的頻率范圍,，并給我們提供了一個更關鍵的性能度量--帶寬（BW）。

　　雖然此術語可能僅指信號特性,，但其某些形式可用于描述處理這些信號的RF系統(tǒng),。帶寬一般會定義受某一標準限制的頻率范圍。但是,，它可能具有不同的含義,，因具體的應用環(huán)境而異。為了使我們的論述更加全面,，我們來簡單定義一下不同的含義：

　　·3 dB帶寬是信號功率電平超過其最大值一半的頻率范圍,。

　　·瞬時帶寬（IBW）或實時帶寬是指系統(tǒng)在不需要重新調諧的情況下能夠產生或獲取的最大連續(xù)帶寬。

　　·占用帶寬（OBW）是包含總集成信號功率特定百分比的頻率范圍,。

　　·分辨率帶寬（RBW）一般是指兩個頻率分量（可繼續(xù)分解）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范圍,。

　　這只是各種帶寬定義中的幾個示例,；但是，無論其含義如何,，RF信號鏈的帶寬很大程度上取決于其模擬前端,，以及高速模數(shù)轉換器或數(shù)模轉換器的采樣速率和帶寬。

　　非線性

　　需要指出的是,，RF系統(tǒng)的特性不僅會隨著頻率變化，也會隨著信號功率電平而變化,。我們在本文開頭描述的基本特性通常用小信號S參數(shù)表示,，沒有考慮非線性效應。但是,，在一般情況下,，通過RF網絡的功率電平持續(xù)升高通常會帶來更明顯的非線性效應，最終導致其性能下降,。

　　我們在談論具有良好線性度的RF系統(tǒng)或組件時,，通常是指用于描述其非線性性能的關鍵指標滿足目標應用要求。我們來看看這些常用來量化RF系統(tǒng)非線性行為的關鍵指標,。

　　我們首先需要考慮的參數(shù)是輸出1 dB壓縮點（OP1dB）,，它定義了通用器件從線性模式轉換為非線性模式的拐點，即系統(tǒng)增益降低1 dB時的輸出功率水平,。這是功率放大器的基本特性,，用于將該器件的工作電平設置為趨向飽和輸出功率（PSAT）定義的飽和電平。功率放大器通常位于信號鏈的最后一級,，因此這些參數(shù)通常定義RF系統(tǒng)的輸出功率范圍,。

　　一旦系統(tǒng)處于非線性模式，就會使信號失真,、產生雜散頻率分量,，或者雜散。雜散是相對于載波信號（單位：dBc）的電平進行測量,，可以分為諧波和交調產物（參見圖3）,。諧波是處于基波頻率的整數(shù)倍位置的信號（例如，H1,、H2,、H3諧波），而交調產物是非線性系統(tǒng)中存在兩個或更多基波信號時出現(xiàn)的信號,。如果第一個基波信號位于頻率f1,，第二個位于f2，則二階交調產物出現(xiàn)在兩個信號的和頻和差頻位置，即f1 + f2和f2 - f1,，以及f1 + f1和f2 + f2（后者也稱為H2諧波）,。二階交調產物與基波信號相結合，會產生三階交調產物,，其中兩個（2f1 - f2和2f2 - f1）特別重要,，由于它們接近原始信號，因此難以濾除,。包含雜散頻率分量的非線性RF系統(tǒng)的輸出頻譜表示了交調失真（IMD）,，這是描述系統(tǒng)非線性度的一個重要術語。

　　圖3.諧波和交調產物

　　與二階交調失真（IMD2）和三階交調失真（IMD3）相關的雜散分量會對目標信號造成干擾,。用于量化干擾嚴重程度的重要指標為交調點（IP）,。我們可以區(qū)分二階（IP2）和三階（IP3）交調點。如圖4所示,，它們定義輸入（IIP2,、IIP3）和輸出（OIP2、OIP3）信號功率電平的假設點,，在這些點上,，相應的雜散分量的功率將達到與基波分量相同的電平。雖然交調點是一個純數(shù)學概念,，但它是衡量RF系統(tǒng)對非線性度耐受性的重要指標,。

　　圖4.非線性特性的定義

　　噪聲

　　現(xiàn)在我們來看看每個RF系統(tǒng)固有的另一個重要特性--噪聲。噪聲是指電信號的波動,，包含許多不同方面,。根據(jù)其頻譜及其影響信號的方式以及產生噪聲的機制，噪聲可以分為許多不同的類型和形式,。但是,，盡管存在許多不同的噪聲源，我們也無需為了描述它們對系統(tǒng)性能的最終影響而深入研究其物理特性,。我們可以基于簡化的系統(tǒng)噪聲模型進行研究,，該模型使用單個理論噪聲發(fā)生器，通過噪聲系數(shù)（NF）這個重要指標來描述,。它可以量化系統(tǒng)所引起的信噪比（SNR）的下降幅度,，定義為輸出信噪比與輸入信噪比的對數(shù)比。以線性標度表示的噪聲系數(shù)稱為噪聲因子,。這是RF系統(tǒng)的主要特性,，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)等于由|S21|定義的插入損耗,。在多個有源和無源組件構成的更復雜的RF系統(tǒng)中,，噪聲由各自的噪聲因子Fi和功率增益Gi來描述，根據(jù)Friis公式（假設每級的阻抗都匹配）,，噪聲的影響在信號鏈中逐級降低：

　　由此可以得出結論,，RF信號鏈的前兩級是系統(tǒng)總體噪聲系數(shù)的主要來源。這正是在接收器信號鏈的前端配置噪聲系數(shù)最低的組件（例如低噪聲放大器）的原因,。

　　如果我們現(xiàn)在考慮生成信號的專用器件或系統(tǒng),，說到其噪聲性能特征，一般是指受噪聲源影響的信號特性,。這些特性就是相位抖動和相位噪聲,，用于表示時域（抖動）和頻域（相位噪聲）中的信號穩(wěn)定性。具體選擇哪個,，一般取決于應用,，例如，在RF通信應用中,，一般使用相位噪聲，而在數(shù)字系統(tǒng)中,，則通常使用抖動,。相位抖動是指信號相位內的小波動，相位噪聲則是其頻譜表示,，定義為相對于載波頻率不同頻偏處,，1Hz帶寬內的噪聲功率，認為在此帶寬內功率均衡（參見圖5）,。

　　圖5.相位噪聲特性示例

　　多種衍生品

　　到目前為止,，我們考慮了多種重要系數(shù)，并基于這些系數(shù)衍生出很多參數(shù),，可用于量化各種應用領域中RF信號鏈的性能,。例如，在噪聲和雜散的基礎上衍生出動態(tài)范圍（DR）這個術語,，用于描述系統(tǒng)實現(xiàn)所需特性的工作范圍,。如圖4所示，如果該范圍的下限由噪聲決定,，上限由壓縮點決定,，我們稱之為線性動態(tài)范圍（LDR）；如果其上限由最大功率電平（該電平使交調失真變得不可接受）決定,，我們稱之為無雜散動態(tài)范圍（SFDR）,。需要注意的是，LDR和SFDR的實際定義可能因具體的應用而異,。2

　　系統(tǒng)能夠處理生成具有指定SNR輸出信號的最低信號電平定義了接收器系統(tǒng)的另一個重要特性,，即靈敏度,。它主要由系統(tǒng)噪聲系數(shù)和信號帶寬決定。接收器本身的噪聲會對靈敏度和其他系統(tǒng)技術規(guī)格造成限制,。例如,，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的相位噪聲或抖動會導致眼圖中的星座點偏離其理想位置，使得系統(tǒng)的誤差向量幅度（EVM）降低,，誤碼率（BER）隨之增高,。

　　結論

　　我們可以使用多種特性和性能指標來表征RF信號鏈。它們涉及不同的系統(tǒng)方面,，其重要性和相關性可能因應用而有所不同,。雖然我們無法在一篇文章中全面闡述所有這些因素，但如果RF工程師能深入理解本文所探討的這些基本特性,，就可以將它們輕松轉化為雷達,、通信、測量或其他RF系統(tǒng)等目標應用中的關鍵要求和技術規(guī)格,。

　　ADI憑借業(yè)界廣泛的RF,、微波和毫米波解決方案的組合，以及深厚的系統(tǒng)設計專業(yè)知識,，能夠滿足各種嚴苛的RF應用要求,。這些從天線到比特的廣泛的分立式和全集成ADI解決方案有助于開啟從DC到100 GHz以上的整個頻譜，并提供出色的性能,，支持通信,、測試和測量儀器、工業(yè),、航空航天和防務等應用實現(xiàn)多種RF和微波設計,。

參考文獻

1 M. S. Gupta?！癛F是什么,？”IEEE微波雜志，第2卷第4期,，2001年12月,。

2 David M. Pozar。 微波工程,，第4版,，Wiley，2011年,。

作者簡介

Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術大學微波工程碩士學位,。畢業(yè)之后，Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔任科學家,。他于2015年加入ADI公司擔任現(xiàn)場應用工程師,，目前為ADI公司戰(zhàn)略與重點客戶提供現(xiàn)場應用支持,，主要負責RF應用。