マイクロ波技術 - RF信号連鎖の復号化：特徴と性能指標

位相シフト、リアクタンス、散逸、ノイズ、放射、反射、非線形性を含むRFの優れた特性に焦点を合わせることにより、複数の意味をカバーする一貫した定義の基礎を確立することができる。1この基礎は、RFを他の用語から区別するために、単一のアスペクトまたは特定の値に依存しない現代のすべての包括的な定義を表します。RFは、この定義を構成する特性を有する任意の回路またはコンポーネントに適用される。

この議論の背景を設定した, そして今、我々はトピックを取得し、一般的なRF信号チェーンを分析を開始することができます. その中で, 回路の位相シフトを反映するために分散コンポーネント回路モデルを使用する. このシフトは、短いRF波長では無視できない. したがって, セットPCB回路の近似表現は、これらのタイプのシステムには適していない. RF信号チェーンは、様々な別個の構成要素を含むことができる, 減衰器のような, スイッチ, アンプ, 検出器, シンセサイザー, と他のRFアナログ装置, だけでなく 高速PCB とDAC. 特定のアプリケーションのすべてのこれらのコンポーネントを結合する, 全体的な名目性能はこれらの離散成分の組合せ性能に依存する.

したがって、ターゲットアプリケーションを満たすことができる特定のシステムを設計するためには、RFシステムエンジニアは、システムレベルの観点から真に考慮することができなければならず、基本的なキー概念と原則の一貫した理解を持っていなければなりません。これらの知識の蓄えは非常に重要です。このため、2つの部分を含むこのディスカッション記事をコンパイルしました。第1の部分の目的は、RFデバイスの特性を決定し、その性能を定量化するために使用される主な特性および指標を簡単に導入することである。第2の部分の目標は、所望のアプリケーションのためのRFシグナル・チェーンを開発するために用いることができるさまざまな個々のコンポーネントおよびそれらの型への綿密な導入を提供することになっている。本論文では，最初の部分に焦点を当て，rfシステムに関連する主要な特性と性能指標を考察する。

RF基板

1. Introduction to RF terminology
There are a variety of parameters currently used to describe the characteristics of the entire RF system and its discrete modules. アプリケーションまたはユースケースに応じて, これらの機能のいくつかは非常に重要かもしれません, 他の人が重要でない、または関係がない. この記事だけで, そのような複雑な話題の包括的な分析を行うことは、確かに不可能です. しかし, 我々は共通の考えに従うように試みる, 複雑な関連した内容の系列を平衡に変換する, 理解しやすいRFシステムの特性と特性ガイド, 最も一般的なRF性能を簡潔かつ包括的に要約するように.

ネットワークマッチングの場合、S 21はポート1からポート2への伝送係数に相当する（S 12も同様に定義することができる）。対数スケールで表される振幅ΔS 21・・・は、入力電力に対する出力電力の比率を表し、これは利得またはスカラー対数ゲインと呼ばれる。このパラメータは増幅器および他のRFシステムの重要な指標であり、また、負の値をとることもできる。負の利得は、固有の損失または不整合損失を表し、通常、その相反する、すなわち、挿入損失（IL）によって表される。

今、同じポートで入射波と反射波を考えると、図2に示すように、S 11とS 22を定義することができます。一致する負荷で他のポートが終了すると、これらの条件は対応するポートの反射係数と同じである。式1によれば、反射係数の大きさと戻り損失（RL）とを関連付けることができる。

リターン損失は、ソースの反射電力に対するポートの入射電力の比率を示す. 我々はこの比率を推定するために使用するポートに基づいて, 入力と出力の戻り損失を区別できる. 返り値は常に負の値である, ネットワークの入力インピーダンスまたは出力インピーダンスがどれくらいよく、ソースの方へポートのインピーダンスに一致するかを示す.
ILとRLとSパラメタの間のこの単純な関係がすべてのポートが合っているときだけ有効である点に注意されるべきです. これはネットワーク自体のs行列を定義するための前提条件です. ネットワークが一致しない場合, 固有のSパラメータを変更しません, しかし、それはポートの反射係数とポートの間の透過係数を変えるかもしれません.

2. Frequency range and bandwidth
All these basic quantities that we describe will constantly change in the frequency range, すべてのRFシステムの共通の基本特性は. It defines the frequency range supported by these systems and provides us with a more critical performance metric-bandwidth (BW).

非線形

RFシステムの特性は周波数だけでなく信号電力レベルでも変化することを指摘した。本論文の始めで説明した基本的な特徴は通常小さな信号sパラメータで表され，非線形効果は考慮されない。しかし、一般に、RFネットワークによる電力レベルの連続的な増加は、通常、より明白な非線形効果をもたらし、最終的にその性能低下につながる。

高線形性を持つRFシステムやコンポーネントについて話をするとき、我々は通常、それらの非線形性能を記述するために使用されるキーインジケータが、ターゲットアプリケーション要件を満たすことを意味する。RFシステムの非線形挙動を定量化するために一般的に使用されるこれらの重要な指標を見てみましょう。

我々が考慮する必要がある最初のパラメータは出力1 dB圧縮点（Op 1 dB）です。そして、それは一般的な装置が線形モードから非線形モード、すなわち、システム利得が1 dBによって減らされるとき、出力電力レベルから切り替わるために変曲点を定めます。これは、電力増幅器の基本的な特性であり、飽和状態への出力電力によって、デバイスの動作レベルを飽和レベルに設定するために用いられる。電力増幅器は通常、信号連鎖の最終段に位置するので、これらのパラメータは通常RFシステムの出力電力範囲を定める。

一旦システムが非線形モードにあるならば、それはシグナルをゆがめて、偽の周波数成分またはスパーズを生じるでしょう。スプリアスはキャリア信号（単位：DBC）のレベルに対して測定され、高調波および相互変調製品（図3参照）に分割することができる。高調波は、基本周波数（例えば、H 1、H 2、H 3高調波）の整数倍の信号であり、相互変調生成物は、2つ以上の基本信号が非線形システムに存在するときに現れる信号である。第1の基本信号が周波数f 1、第2の信号がf 2の場合、2次の相互変調積は、2つの信号の和、周波数の位置、すなわちf 1＋f 2、f 2の辺の周波数位置、f 2＋f 1、f 2＋f 2（f 2＋f 1、f 2＋f 2）に現れる。二次相互変調積と基本波信号の組み合わせは三次相互変調積を生成するが、その2つ（2 f 1≒f 2 f 2 f 2 f 1）は本来の信号に近いので特に重要である。偽周波数成分を含む非線形rfシステムの出力スペクトルは，システムの非線形性を記述する重要な項である相互変調歪（imd）を表す。2

二次相互変調歪み（IMD 2）と三次相互変調歪み（IMD 3）に関連するスプリアス成分は、ターゲット信号に干渉を引き起こす可能性がある。干渉の重大度を定量化するために使用される重要な指標は相互変調点（IP）である。二次（ip 2）と三次（ip 3）相互変調点を区別できる。図4に示すように、それらは入力（IIP 2、IIP 3）および出力（OIP 2、OIP 3）信号電力レベルの仮想ポイントを定義する。これらの点において、対応するスプリアス成分の電力は、基本的な構成要素と同じ電気レベルに達する。フラット。相互変調点は純粋に数学的概念であるが，非線形性へのrfシステムの耐性を測定することは重要な指標である。

noise
Now let's take a look at another important characteristic inherent in each RF system-noise. ノイズは電気信号のゆらぎを指し、多くの異なる様相を含んでいる. 周波数スペクトル, 信号に影響する方法, そして、それがノイズを生成するメカニズム, ノイズは多くの異なるタイプと形に分けることができます. しかし, 多くの異なる雑音源の存在にもかかわらず, システム性能に対する究極の影響を記述するためには、物理的特性を調べる必要はない. 簡単化したシステム雑音モデルに基づいて研究することができる, which uses a single theoretical noise generator and is described by the important indicator of noise figure (NF). It can quantify the decrease in signal-to-noise ratio (SNR) caused by the system, 入力信号対雑音比に対する出力信号対雑音比の対数比として定義される. 線形スケールで表される雑音指数をノイズファクタという. これは、RFシステムの主な特徴であり、全体的なパフォーマンスを制御することができます.

簡単な線形受動素子の場合、雑音指数は、残余損失である。複数の能動および受動部品からなるより複雑なRFシステムでは、ノイズは、それぞれのノイズファクタfiおよび電力利得GIによって記述される。Friis式（各ステージのインピーダンスが一致していると仮定する）によれば、ノイズの影響は、チェーン内で段階的に減少する信号である。

RF信号チェーンの最初の2つのステージがシステムの全体的なノイズ図の主な原因であると結論付けられる。これは、低雑音増幅器（例えば低雑音増幅器）を有する構成要素が受信機信号チェーンの前端に配置される理由である。

我々が現在信号を生成する専用の装置またはシステムを考えるならば, 騒音性能特性に関して, 一般的に、ノイズ源によって影響される信号特性を指す. これらの特性は位相ジッタと位相雑音である, which are used to represent signal stability in the time domain (jitter) and frequency domain (phase noise). 特定の選択は一般的にアプリケーションに依存する. 例えば, RF通信応用, 位相雑音は一般に使用される, デジタルシステム中, ジッターは一般的に使われる. 位相ジッタは、信号の位相の小さな変動を指す, 位相雑音はそのスペクトル表現である. それは、周波数オフセットに対する異なる周波数オフセットにおいて、1 Hz帯域幅内の雑音電力と定義される 搬送周波数. It is considered that the power is balanced in this bandwidth (in conclusion)
We can use a variety of characteristics and performance indicators to characterize the RF signal chain. 彼らは異なるシステムの側面を伴います, そして、その重要性と関連性は、アプリケーションからアプリケーションに異なるかもしれません. 我々は完全に記事のすべてのこれらの要因を説明することはできませんが, RFエンジニアがこの記事で議論される基本的な特性を深く理解することができるならば, レーダーなどのターゲットアプリケーションに容易に変換できる, コミュニケーション, 測定, または他のRFシステム. 主要要件と技術仕様.
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