深入解讀RF信號鏈（相移、電抗、耗散、噪聲、輻射、反射、非線性和放大器、倍頻器、分頻器、混頻器、濾波器、開關、衰減器、檢波器）

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，現代文明可能不會存在。生活中有無數非常依賴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，就會發現，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這個基礎代表了現代包羅萬象的定義，不依賴于單個方面或特定數值來區分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。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。

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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，RF系統工程師必須能夠真正從系統級視角考慮，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RF信號鏈的各種單個組件及其類型。

RF信號鏈—第1部分：特性和性能指標

RF術語簡介

目前有多種參數用于描述整個RF系統及其分立式模塊的特性。根據應用或用例，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為平衡、易于理解的RF系統屬性和特性指南，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）根據這些電壓波之間的關系來量化RF能量如何通過系統傳播。現在，我們使用S參數來表示典型RF網絡的主要特性。

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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（S12也可以按類似方法定義）。以對數標度表示的幅度|S21|代表輸出功率與輸入功率的比值，稱為增益或標量對數增益。此參數是放大器和其他RF系統的重要指標，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|Γ|。根據公式1，我們可以將反射系數的大小與回波損耗(RL)相關聯：

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回波損耗是指端口的入射功率與源極的反射功率之比。根據我們估算這個比值使用的端口，我們可以區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，但可能會改變其端口的反射系數以及端口之間的傳輸系數。2

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非線性

需要指出的是，RF系統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系統非線性行為的關鍵指標。

我們首先需要考慮的參數是輸出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，因此這些參數通常定義RF系統的輸出功率范圍。

一旦系統處于非線性模式，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倍位置的信號（例如，H1、H2、H3諧波），而交調產物是非線性系統中存在兩個或更多基波信號時出現的信號。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系統的輸出頻譜表示了交調失真(IMD)，這是描述系統非線性度的一個重要術語。2

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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學概念，但它是衡量RF系統對非線性度耐受性的重要指標。

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圖4. 非線性特性的定義

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如果我們現在考慮生成信號的專用器件或系統，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，而在數字系統中，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，并基于這些系數衍生出很多參數，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范圍(DR)這個術語，用于描述系統實現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的另一個重要特性，即靈敏度。它主要由系統噪聲系數和信號帶寬決定。接收器本身的噪聲會對靈敏度和其他系統技術規格造成限制。例如，數據通信系統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，使得系統的誤差向量幅度(EVM)降低，誤碼率(BER)隨之增高。

第1部分結論

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系統等目標應用中的關鍵要求和技術規格。

參考文獻

1M. S. Gupta。“RF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。

RF信號鏈—第2部分：基本構建模塊

分立式和集成式組件是構成各個應用領域的RF信號鏈的基礎功能性構建模塊。在文章的第一部分，我們討論了用于表征系統的主要特性和性能指標。然而，為了達到期望的性能，RF系統工程師還必須對各類RF器件有充分的了解，RF器件的選擇將決定最終應用中完整RF信號鏈的整體性能。

第2部分將概述典型RF信號鏈中使用的不同器件的主要類型，我們的討論將限于最常見的RF集成電路(IC)，并依賴于與系統級信號鏈定義相關的分類標準。該評估包括RF放大器、頻率產生IC、倍頻器和分頻器、混頻器、濾波器和開關，以及衰減器和檢波器。

如果LNA、PA、VGA和其他類型的RF放大器設計為在寬頻率范圍（高達數個倍頻程）內工作，那么這些放大器也可以歸類為寬帶放大器。此類放大器提供寬帶放大和中等增益，常常用于寬帶應用中主信號路徑的前端級。寬帶放大器常常依賴于分布式放大器電路設計，并提供大增益帶寬積，但通常要付出效率和噪聲方面的代價。

RF放大器的多樣性當然不限于本文中討論的那些。基于放大器特性，我們還有許多其他類型的RF放大器，其提供不同的性能特征組合，這里僅舉幾個例子：限幅放大器在寬輸入功率范圍內提供穩定的壓縮輸出功率，低相位噪聲放大器針對高信號完整性應用進行了優化，對數放大器本質上就是實現RF檢波功能的RF-DC轉換器（參見“RF檢波器”部分）。表1總結了我們所討論的主要放大器類型。

表1. RF放大器的一些主要類型總結

RF放大器還可以基于其他標準進行分類，例如特性、工作模式（放大器類別）、裝配或工藝技術，其完整分類超出了本文的范圍。但是，本節從RF信號鏈架構定義出發，討論了行業中采用的一些最常見類型的RF放大器。

集成VCO的頻率合成器將PLL和VCO組合在單個封裝中，只需要外部參考和環路濾波器就能實現所需的功能。集成式PLL頻率合成器是一種多功能解決方案，具有廣泛的數字控制設置，支持產生精確頻率。它常常包含集成功率分路器、倍頻器、分頻器和跟蹤濾波器，頻率覆蓋范圍超越了VCO的基頻范圍，達到數個倍頻程。所有這些元件的內在參數決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動、鎖定時間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性。

轉換環路是基于PLL概念的另一類頻率合成器，但采用不同的方法實現。如圖2b所示，其反饋環路中使用的是集成下變頻混頻級，而不是N分頻器，環路增益設置為1，帶內相位噪聲極小。轉換環路IC（參見圖2b中的虛線區域）專為對抖動高度敏感的應用而設計，并與外部PFD和LO組合使用，以緊湊的尺寸實現完整的頻率合成解決方案，提供儀表級性能。

直接數字頻率合成(DDS) IC是集成PLL頻率合成器的替代方案，采用不同的原理實現。基本DDS架構的原理圖如圖2c所示。它是一種數字控制系統，包括表示時鐘信號的高精度參考頻率、創建目標波形數字版本的數字控制振蕩器(NCO)以及提供最終模擬輸出的數模轉換器(DAC)。DDS IC提供快速跳頻、精細的頻率和相位分辨率以及低輸出失真，因此特別適合于出色噪聲性能和高頻率捷變性至關重要的應用2。

圖2.(a) 鎖相環、(b) 轉換環路、(c) 直接數字頻率合成器的簡化框圖

頻率產生器件廣泛用于對性能有不同要求的應用。例如，通信系統需要低帶內噪聲以維持低誤差矢量幅度(EVM)，頻譜分析儀依賴于具有快速鎖定時間的本振來實現快速頻率掃描，高速轉換器需要低抖動時鐘以確保高SNR性能。

RF混頻器

基本形式的RF混頻器是一個3端口器件，使用非線性或時變元件產生一個包含兩個輸入信號的和頻率與差頻率的輸出信號。RF混頻器可以一般地區分為無源混頻器和有源混頻器。無源混頻器使用二極管元件，或將FET晶體管用作開關，而有源混頻器依賴于晶體管電路來實現變頻。無源混頻器可以提供寬帶寬和高線性度性能，不需要外部直流偏置，而且噪聲系數一般優于有源混頻器。但是，無源混頻器存在轉換損耗，并且需要高LO輸入功率，而有源混頻器能提供增益，所需的LO驅動電平要低得多。實現下變頻器或上變頻器的替代設計可以將無源混頻器核和有源電路結合以提供轉換增益，而不會損害NF和線性度4。

混頻器IC有很多不同設計，最基本的是單端（或不平衡）。基于二極管的單端混頻器的概念拓撲如圖3a所示。單端混頻器僅使用一個非線性元件來實現頻率轉換，這種解決方案很簡單，但性能有限，因為端口和高雜散之間的隔離很差。平衡式混頻器設計利用其電路的對稱性來克服上述限制。根據對稱程度，平衡式混頻器可以分為單平衡、雙平衡和三平衡混頻器。單平衡混頻器（參見圖3b）由兩個以90°或180°混合方式結合的不平衡混頻器組成。此類混頻器提供高LO-RF隔離，可抑制RF或LO信號以及輸出端的偶數次LO諧波。使用各類雙平衡混頻器可以進一步改善性能。圖3c顯示了一個常見例子，其四環配置使用了四個肖特基二極管，RF和LO端口均放置有混合元件。雙平衡混頻器提供高整體性能和良好的端口間隔離，能夠抑制RF和LO頻率以及所有偶數次RF和LO諧波，因而是廣泛使用的一類RF混頻器IC5。三平衡混頻器可以實現更高的隔離度和線性度。此類混頻器將兩個雙平衡設計組合起來，形成更高程度的對稱性以優化變頻過程，但代價是電路復雜度顯著提高。

同相正交(I/Q)混頻器是單獨的一類平衡設計。I/Q混頻器利用相位抵消來消除干擾鏡像信號，而無需外部濾波。普通I/Q混頻器在下變頻模式（參見圖3d）下通常可以用作鏡像抑制混頻器(IRM)，在上變頻模式下可以用作單邊帶(SSB)混頻器。集成緩沖器和驅動放大器的I/Q混頻器僅針對兩種工作模式中的一種而設計，因而可以將其區分為I/Q下變頻器和I/Q上變頻器。這些混頻器與另一類頻率轉換IC密切相關，稱為I/Q調制器和I/Q解調器。I/Q調制器和I/Q解調器提供一個配合數據轉換器使用的高阻抗差分基帶接口，因而非常適合于直接變頻收發器應用。具體而言，它們構成了現代高集成度RF收發器IC的核心6。

圖4.濾波器頻率響應：(a) 低通濾波器，(b) 高通濾波器，(c) 帶通濾波器，(d) 帶阻濾波器

RF開關

RF開關是用于路由高頻信號通過信號鏈的控制器件。其關鍵功能可以利用不同類型的開關元件實現，包括PIN二極管、FET晶體管或微機械懸臂梁。根據開關元件的布置方式，開關設計可以有不同數量的“刀”（由開關控制的單獨電路）和“擲”（開關可以為每個“刀”使用的單獨輸出路徑）。單刀n擲(SPnT)開關將信號從一個輸入路由到n個輸出。例如，單刀單擲(SPST)開關將一個輸入連接到一個輸出，提供簡單的開關功能；單刀雙擲(SPDT)開關將一個輸入連接到兩個輸出（參見圖5a）；單刀四擲(SP4T)開關將輸入信號路由到四個輸出路徑（參見圖5b）。RF開關還可以有多個“刀”，此類開關稱為轉換開關（參見圖5c）。最常見的例子是雙刀雙擲(DPDT)配置，其具有兩個單獨的電路，這些電路可以連接到兩個輸出路徑中的一個。

RF開關設計可以有更復雜的拓撲結構，其將多個較低階的開關組合在一起。此類IC稱為開關矩陣或交叉點開關，可在多個輸入和多個輸出之間提供靈活的RF信號路由。

（注意：RFC = RF公共端口，CTRL = 控制電壓端口）。

RF檢波器

基本形式的集成式RF檢波器是一個2端口器件，提供與施加于輸入端的RF信號功率成比例的輸出電壓信號。與基于二極管的分立檢波器實現相反，集成式RF檢波器提供多種開箱即用的優勢，包括寬溫度范圍內的穩定輸出電壓、更容易的器件校準和用于與ADC直接接口的緩沖輸出9。最常見RF檢波器IC是各類需要測量RF信號功率幅度的應用中使用的標量檢波器。標量檢波器的主要類型包括RMS功率檢波器、對數檢波器和包絡檢波器。

RMS功率檢波器提供施加于RF輸入的實際信號功率的精確rms表示。有線性響應rms檢波器，其rms輸出是線性響應的直流電壓，還有線性dB響應的對數rms檢波器，實際RF輸入功率每改變1 dB，其輸出電壓也改變相同的量。這兩類rms檢波器非常適合不需要快速響應時間的應用，測量復數調制信號（其高波峰因數隨時間而變化）的波形無關功率。它們通常用于平均功率監測、發射信號強度指示(TSSI)、接收信號強度指示(RSSI)和自動增益控制(AGC)。

對數檢波器（也稱為對數放大器）將輸入RF信號轉換為精確的對數線性直流輸出電壓。對數檢波器提供非常高的動態工作范圍。這是利用連續壓縮方法實現的，依賴于一系列耦合到檢波器的級聯限幅放大器，其輸出在級聯拓撲結構的輸出級加總。隨著輸入功率增加，連續放大器逐漸進入飽和，從而生成對數函數近似值。對數檢波器非常適合于高動態范圍應用，包括RSSI和RF輸入保護。

連續檢波對數視頻放大器(SDLVA)是一種特殊類型的對數檢波器，提供平坦的頻率響應和優越的上升/下降與延遲時間，因而是要求超高速性能的應用（包括瞬時頻率測量、方向查找接收器和電子智能應用）的首選解決方案。

包絡檢波器（也稱為峰值檢波器或AM檢波器）提供與RF輸入信號的瞬時幅度成比例的基帶輸出電壓。包絡檢波器IC通常利用快速切換肖特基二極管實現，因而是需要非常快速響應時間的較低動態范圍應用的理想解決方案。包絡檢波器的典型應用包括PA偏置控制中的效率增強包絡跟蹤、PA線性化、快速過大RF功率保護、高分辨率脈沖檢測和I/Q調制器的LO泄漏校正。

除了標量檢波器外，還有一種稱為矢量功率測量IC的集成檢波器。它們提供超出標量功率測量功能的擴展能力10?。矢量功率測量檢波器可以測量信號的多個參數，包括幅度、相位和沿著傳輸路徑的行進方向（前向或反向）。在無線發射器中的天線調諧、模塊化系統中的內置測試和材料分析等應用中，此類器件是在線測量散射參數的理想解決方案。

第2部分結論

在RF信號鏈系列的第二部分中，我們討論了代表典型RF信號鏈的基本構建模塊的一些主要RF IC，并進行了分類。但是，在此概述中，我們僅觸及了各種類型和形式的RF器件的皮毛。越來越復雜的RF系統需要更完整的信號鏈解決方案，這導致了將多個功能模塊整合在同一封裝中或一個芯片上的眾多IC設計的發展。這些器件可以集成混頻器、PLL、VCO、放大器、檢波器和其他器件，以緊湊的外形尺寸提供高度先進的功能，并提供更簡單的設計、更低的功耗、更低的成本和更短的開發周期。

SFDR:無雜散動態范圍(Spurious-freeDynamicRange，SFDR)衡量的只是相對于轉換器滿量程范圍(dBFS)或輸入信號電平(dBc)的最差頻譜偽像，是轉換器的主要性能指標之一，改善轉換器的無雜散動態范圍對提高轉換器的性能具有很重要的作用。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的RF的一些浅谈的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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