微波技術 - 解密射頻訊號鏈：特性和性能指標

通過關注射頻的突出特性，包括相移、電抗、耗散、雜訊、輻射、反射和非線性，可以建立一個涵蓋多種含義的一致定義基礎。 1.本基礎代表了一個現代的包羅萬象的定義，它不依賴於單個方面或特定值來區分RF與其他術語。 術語RF適用於具有構成此定義的特性的任何電路或部件。

我們已經確定了這次討論的背景, 現在我們可以開始進入主題並分析一般的射頻訊號鏈. 其中, 分佈式元件電路模型用於反映電路中的相移. 在較短的射頻波長下，這種偏移不能忽略. 因此, 集合PCB總電路的近似表示不適用於這些類型的系統. 射頻訊號鏈可包括各種離散組件, 如衰减器, 開關, 放大器, 探測器, 合成器, 和其他射頻類比設備, 以及 高速PCB 和DAC. 為特定應用程序組合所有這些組件, 整體標稱效能將取決於這些分立部件的綜合效能.

囙此，為了設計出能够滿足目標應用的特定系統，射頻系統工程師必須能够真正從系統層面進行考慮，並對基本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，其中包含兩部分。 第一部分的目標是簡要介紹用於確定射頻設備特性並量化其效能的主要特性和名額。 第二部分的目標是深入介紹可用於開發所需應用的射頻訊號鏈的各種單獨組件及其類型。 在本文中，我們將重點關注第一部分，並考慮與射頻系統相關的主要特性和性能指標。

rf PCB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. 取決於應用程序或用例, 其中一些功能可能非常重要, 而其他人則不那麼重要或無關緊要. 僅憑這篇文章, 對這樣一個複雜的主題進行全面的分析當然是不可能的. 然而, 我們將嘗試遵循一個共同的想法, 將一系列複雜的相關內容轉換為平衡的, 易於理解的射頻系統特性和特性指南, 從而簡潔、全面地總結出最常見的射頻效能.

在網絡匹配的情况下，S21相當於從埠1到埠2的傳輸係數（也可以以類似的管道定義S12）。 以對數刻度表示的振幅| S21 |表示輸出功率與輸入功率的比率，稱為增益或標量對數增益。 該參數是放大器和其他射頻系統的重要名額，也可以取負值。 負增益表示固有損耗或失配損耗，通常由其倒數表示，即插入損耗（IL），這是衰减器和濾波器的典型名額。

如果我們現在考慮同一埠的入射波和反射波，我們可以定義S11和S22，如圖2所示。 當其他埠以匹配負載終止時，這些術語相當於相應埠的反射係數。 根據公式1，我們可以將反射係數的大小與回波損耗（RL）關聯起來：

回波損耗是指埠的入射功率與源的反射功率之比. 基於我們用來估計此比率的埠, 我們可以區分輸入和輸出回波損耗. 返回損失始終為非負值, 訓示網絡的輸入或輸出阻抗與埠對電源的阻抗匹配程度.
應該注意的是，只有當所有埠都匹配時，IL和RL以及S參數之間的簡單關係才有效. 這是定義網絡自身S矩陣的先決條件. 如果網絡不匹配, 它不會改變其固有的S參數, 但它可能會改變其埠的反射係數和埠之間的透射係數.

2. Frequency range and bandwidth
All these basic quantities that we describe will constantly change in the frequency range, 這是所有射頻系統的共同基本特徵. It defines the frequency range supported by these systems and provides us with a more critical performance metric-bandwidth (BW).

非線性

需要指出的是，射頻系統的特性不僅會隨頻率而變化，還會隨訊號功率水准而變化。 我們在本文開頭描述的基本特性通常由小訊號S參數表示，並且不考慮非線性影響。 然而，一般來說，通過射頻網絡不斷提高功率水准通常會帶來更明顯的非線性效應，最終導致其效能下降。

當我們談論具有良好線性的射頻系統或組件時，我們通常是指用於描述其非線性效能的關鍵名額滿足目標應用要求。 讓我們看看這些常用於量化射頻系統非線性行為的關鍵名額。

我們需要考慮的第一個參數是輸出1 dB壓縮點（OP1dB），它定義了一般設備從線性模式切換到非線性模式的拐點，即系統增益降低1 dB時的輸出功率水准。 這是功率放大器的基本特性，用於將設備的工作電平設定為飽和電平，飽和電平由飽和輸出功率（PSAT）定義。 功率放大器通常位於訊號鏈的最後一級，囙此這些參數通常定義射頻系統的輸出功率範圍。

一旦系統處於非線性模式，就會使訊號失真並產生雜散頻率分量或雜散。 雜散是相對於載波信號電平量測的（組織：dBc），可分為諧波和互調產物（見圖3）。 諧波是基頻整數倍的訊號（例如，H1、H2、H3諧波），互調產物是非線性系統中存在兩個或多個基頻訊號時出現的訊號。 如果第一個基頻訊號位於頻率f1，第二個基頻訊號位於f2，則二階互調產物出現在兩個訊號的和頻和差頻位置，即f1+f2和f2–f1，以及f1+f1和f2+f2（後者也稱為H2諧波）。 二階互調產物和基本訊號的組合將產生3階互調產物，其中兩個（2f1–f2和2f2–f1）特別重要，因為它們接近原始訊號，囙此很難過濾掉。 含有雜散頻率成分的非線性射頻系統的輸出頻譜表示互調失真（IMD），這是描述系統非線性的一個重要術語。 2.

與二階互調失真（IMD2）和3階互調失真（IMD3）相關的雜散分量會對目標訊號造成干擾。 用於量化干擾嚴重性的一個重要名額是互調點（IP）。 我們可以區分二階（IP2）和3階（IP3）互調點。 如圖4所示，它們定義了輸入（IIP2，IIP3）和輸出（OIP2，OIP3）訊號功率電平的假設點。 在這些點上，相應雜散組件的功率將達到與基本組件相同的電平。 平的 雖然互調點是一個純粹的數學概念，但它是衡量射頻系統對非線性容忍度的一個重要名額。

noise
Now let's take a look at another important characteristic inherent in each RF system-noise. 雜訊是指電信號的波動，包含許多不同的方面. 根據其頻譜, 影響訊號的管道, 以及它產生譟音的機制, 雜訊可分為許多不同的類型和形式. 然而, 儘管存在許多不同的雜訊源, 為了描述它們對系統性能的最終影響，我們不需要深入研究它們的物理特性. 我們可以基於簡化的系統雜訊模型進行研究, 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, 定義為輸出信噪比與輸入信噪比的對數比. 以線性比例表示的雜訊係數稱為雜訊係數. 這是射頻系統的主要功能，可以控制其整體效能.

對於簡單的線性無源器件，雜訊係數等於| S21 |定義的插入損耗。 在由多個有源和無源組件組成的更複雜的射頻系統中，雜訊由各自的雜訊因數Fi和功率增益Gi描述。 根據Fris公式（假設每級阻抗匹配），雜訊對訊號的影響在鏈中逐步减小：

可以得出結論，射頻訊號鏈的前兩級是系統整體雜訊係數的主要來源。 這就是為什麼將雜訊係數最低的部件（如低雜訊放大器）放置在接收器訊號鏈的前端。

如果我們現在考慮生成訊號的專用設備或系統, 當涉及到其雜訊效能特徵時, 通常指受雜訊源影響的訊號特性. 這些特性是相位抖動和相位雜訊, which are used to represent signal stability in the time domain (jitter) and frequency domain (phase noise). 具體的選擇通常取決於應用程序. 例如, 射頻通信應用中, 通常使用相位雜訊, 在數位系統中, 通常使用抖動. 相位抖動是指訊號相位的微小波動, 相位雜訊是它的譜表示. 它定義為1Hz頻寬內相對於 載波頻率. 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. 它們涉及不同的系統方面, 它們的重要性和相關性可能因應用程序而异. 雖然我們不能在一篇文章中完全解釋所有這些因素, 如果射頻工程師能够深入理解本文討論的基本特性, 它們可以很容易地轉化為雷達等目標應用, 通信, 量測, 或其他射頻系統. 關鍵要求和技術規範.
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