射频技术入门

三旗硬件部 王杨

2007.08.01

Index

射频行为• 损耗与增益• 分贝• 带宽• 环境中的射频• 匹配

射频硬件• 天线• 放大器• 滤波器• 混频器• 振荡器• 开关• 衰减器• 分配器• 耦合器

射频行为损耗与增益• 所有器件 ( 有源和无源 ) 都或者显示损耗特性，或者显示增益特性。

• 如果出来的信号小于进来的信号，表明该器件有损耗。有很多具有损耗的器件，一些是无源的，一些是有源的。一个大的射频信号进去，变成一个小的射频信号出来，剩下的那部分没有出来的信号则转变成了热能。表现出损耗现象的器件将变暖，损耗越多，就越热，甚至熔化。这就是为什么无源器件中对功率的处理能力是非常重要的。

• 增益——如果放大器输出的信号是输入信号的 10 倍，则该放大器的增益是 10 。如果有两个这样的放大器串接，增益结果将是 100( 而不是 20) 。即信号放大 10 后，再放大 10 倍，最后的信号是原始信号的 100 倍。

• 插入损耗——如果从一个无源器件出来的信号是进入信号的 1/100 ，那么该器件的损耗为 100 ，即将数据信号除以 100 可以得到输出信号的幅度。将信号通过一个无源器件所经历的损耗称为插入损耗。

射频行为 (cont’d)分贝• 发射机发射的信号可能会是到达接收机信号的十亿倍，乘或除这么大的数

字是很难把握的，于是就出现了使用加减法来代替乘除法的对数。• 在射频之中，只需要知道有关对数的两样东西。其一，对数是两个值的比

值；其二该比值的单位是分贝 (dB) 。其定义是 10lg( 输出功率 / 输入功率 ) 。• 如前所述，放大器的增益是 100 ，换算成分贝，就是增益为 20dB 。• 只需要记住两种 dB 的转换就可以进行简单的分贝转换： +3dB 指的是 2 倍大 ( 乘以 2)

+10dB 指的是 10 倍大 ( 乘以 10)

-3dB 指的是减小到 1/2( 除以 2)

-10dB 指的是减小到 1/10( 除以 10)

E.g. 如果信号经历的增益为 4000 ，那么增益为多少 dB ？ 4000= 2 X 2 X 10 X 10 X 10

=3dB+3dB+10dB+10dB+10dB=36dB

射频行为 (cont’d)

带宽• 带宽是描述频率范围的方法，它等于器件或应用中最高频率和最低频率的差值，

所以需要两个频率值来定义带宽。有时带宽也用百分比来表达，它等于实际带宽除以上下频率的平均值。

• 带宽和数据承载能力 ( 数据速率 ) 有直接关系。无线系统的带宽越宽，在一定时间内所承载的数据就越多，所以数据速率就越高。

• 带宽的另外两个术语就是倍频和十倍频。倍频和十倍频来源于对数算法，其中倍频是指两倍大，十倍频是指 10 倍大。如果器件的上边频是下边频的 2 倍大，那么器件具有倍频带宽。

射频行为 (cont’d)环境中的射频• 趋肤效应——产生趋肤效应的原因是由于感抗的作用 , 导体内部比表面具

有更大的电感 L, 因此对交流电的阻碍作用大 , 使得电流密集于导体表面 .趋肤效应使得导体的有效横截面减小 , 因而导体对交流电的有效电阻比对直流电的电阻大 .

• 自由空间损耗——自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为 1 的均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为简化问题研究而提出的一种科学抽象。自由空间无线电波传播，仅考虑由能量扩散引起的损耗，即接收机和发射机之间是无任何阻挡的视距路径时的传播损耗。

• 吸收 e.g.微波炉内辐射水容易接收的某个频率的射频信号。当射频信号遇到水

时，信号变得越来越小，谁就变得越来越热。这就是没有水的东西在微波炉里无法变热的原因。

• 反射——射频频率和物体材料两个因素有关。如金属就会发生完全反射，混凝土发生部分反射。

射频行为 (cont’d)匹配• 50欧姆的含义——二次世界大战器件，军队需要连接一些碰巧是 50ohm

阻抗的天线。结果他们开发了一些 50ohm 的电缆，后来称为 RG-58 。一旦他们有了这些电缆，其他所需要连接的东西都只能向 50ohm看齐了。

50ohm 不是最佳的。拿电缆来说， 75ohm 的性能更加 ( 即衰减更小 ) 。因为他是近期开发的， 75ohm 是用于有线电视中的阻抗。相应的有两种阻抗标准：射频用 50ohm 和视频用 75ohm 。

• VSWR—— 电压驻波比。是描述匹配情况的数字度量，匹配越好，泄露越小。它没有度量单位，表达方式是 X ： 1 ， X 越大，泄露越多。

VSWR 回波损耗 含义1.0 ： 1 无穷 完美匹配，没有任何泄露，不可能达成1.4 ： 1 15.6dB 有两匹配，很小泄露2.0 ： 1 9.5dB 良好匹配，可接受的泄漏量，通常作为设计目标

射频硬件天线• 天线可以使有源器件也可以是无源器件。有源天线仅仅是比无源天线在内

部多了一个放大器。• 天线的大小和形状取决于 3 个因素：天线需要处理的频率；无线电波传播的方向；天线发送或接收的功率。

• 天线增益——与平常理解的增益不同，射频能量的绝对值并没有真正变大。这是方向增益而不是功率增益。是相对于各向同性天线的增益。度量单位为 dBi 。

• 极化——当射频波在空中传播，正弦波自身有方向：垂直或水平。垂直极化正弦波传播时会上下变化，水平极化正弦波传播是会左右变化。极化是一种方法，把两个相同频率的不同信号同时放到同一个地方。理论上，通过使用水平和垂直极化，在同样的带宽内，可以实现 2 倍的转换。

射频硬件 (cont’d)放大器放大器的三个基本属性：增益、噪声系数或输出功率、线性。放大器主要分三类：低噪声放大器 LNA、高功率放大器 HPA 和其他。• 增益——使用 dB 度量，描述输出信号比输入信号大多少。• 噪声系数——低噪声放大器用于监听非常小的射频信号，所以他们必须非

常安静。 LNA 的安静度量叫做噪声系数 (NF) ，单位 dB 。噪声系数越低，LNA 可以听到的信号越小。

• 输出功率—— HPA 的基本属性之一就是输出功率，用W 或 dBm 来度量。 一般来说，功率越高越好。 dBm 的含义是比 1mW 大的 dB 数。 1dBm=10lg( 功率值 W/1mW) ， e.g.30dBm 等于 1W 。 一个 HPA并不意味着它很大的输出功率， 但意味着它是发射器的最后的放大器。

W 表示的功率 dBm 表示的功率0.1mW -10dBm

1mW 0dBm

1W 30dBm

2W 33dBm

1000W 60dBm

射频硬件 (cont’d)放大器 (cont’d)• 线性——用来度量放大器使信号形状失真的程度。射频载波的微小变化部

分实际上都包含着信息，因此不需要的信号形状会使信息严重失真。传输曲线是一种可视化的方法来描述线性的概念，就是放大器的输出功率对输入功率的图。

在 A 点之前的范围被称为放大器的线性区。要避免信号失真，放大器必须在这个区域内工作。

• ACPR(邻近信道功率比 )——ACPR 度量了干扰或者说是相邻频率信道功率的大小。通常定义为相邻频道（或偏移）内平均功率与发射信号频道内的平均功率之比， ACPR 描述了由于发射机硬件非线性造成的失真大小。 ACPR 对于 WCDMA 发射机来说是至关重要的，因为 CDMA调制在调制载波中产生紧密相邻的频谱成分。这些成分的互调制导致中心载波两侧频谱的再生，发射机的非线性将使这些频谱再生成分进入相邻信道。

AWT6280

射频硬件 (cont’d)滤波器• 任意时刻都有许多看不见的射频波以各种频率游荡在空气中。所有这些游

荡的波试图通过接收机的天线进入接收机，并且许多都成功了。一些信号甚至通过了 LNA ，这些地方正是需要滤波器的地方，让许多可接受的信号进入，拒绝其他所有无用信号。

• 滤波器分为四种：高通、低通、带阻、带通。• 通常来说，滤波器是无源器件，通过改变它们的插入损耗来工作。插入损

耗是频率的函数，称为滤波器的频率响应曲线。• 双工器——把发射和接收的两个滤波器放入一个器件里。在 WCDMA 中

使用。• SAW 滤波器—— SAW 表示声表面波，工作原理：首先，将射频信号转

化为声音信号，然后将不需要的声音信号滤掉，最后把声音信号转化为射频信号。

• 需要注意的是：放大器不是唯一有 1dB压缩点和三阶互调点的器件。象滤波器这样的无源器件也有这些参数。在无源器件中，这两种参数测量的不是器件的输出功率，而是在不引起信号失真的情况下，器件能处理的功率。

W_TX_SAW Duplexer

射频硬件 (cont’d)混频器• 混频器的目的就是改变信号的频率但保持信号的其它特性不变。• 两个信号 (频率为 f1 和 f2) 进入混频器后，会出来两个不同的信号：

f1+f2 、 f1-f2 ，其中有一个信号是不需要的，会在混频器后面跟一个滤波器将其滤掉。

• 实际上，当两个信号进入混频器，输出的并不是两个很干净的信号。许多信号以各种频率出来了，这些不需要的信号被定义为噪声。混频器会将噪声引入到系统，这也是混频器后面有滤波器的另一个原因。

• 混频器的一共有三个端口，两个输入端口，一个输出端口。三个端口的频率范围越宽，混频器损耗越大，性能越差。

• 无源混频器会表现出插入损耗，为了区别，混频器中的插入损耗叫做转换损耗 (CL) ， CL 越低越好。另一个重要参数是噪声系数 (NF) ， NF 越低越好。

射频硬件 (cont’d)振荡器• 给混频器提供一个输入的振荡器叫做本地振荡器 (LO) 。• 所有的振荡器都是有源器件，理想状态是，接上电源之后，输出一个完美

的预定频率的正弦波信号。• 振荡器有很多种型号，但是他们的目标是相同的，在给定的条件下 ( 温度、

频率等 ) 提供最完美的正弦波。• 我们用得比较多的是 TCXO(温补晶体振荡器 )，表现为准确的温度控制。

射频硬件 (cont’d)开关• 所有的开关都是有源设备，就是说它们需要一定的功率来实现功能。• 有两个关键性能参数：损耗和转换速度。• 损耗分为两种：插入损耗和隔离度。在开关中插入损耗是 1dB 或者更小。

最小的有用的隔离度大约是 20dB 。• e.g.Murata LMSM32AA-533:

集成了 SAW ，使用在进入射频功放之前，用于降低 Tx 对 Rx 的干扰

LMSP4LMA-573

射频硬件 (cont’d)衰减器• 衰减器就是反放大器，信号通过衰减器之后，功率会降低，减少的信号转

换为热量散失了。• 衰减器分为：固定衰减器、电压可变衰减器、数字衰减器。其中固定衰减

器是无源器件，电压可变衰减器与数字衰减器为有源器件。• 各种类型的衰减器的主要参数是准确性。无论是固定的还是可变的，衰减

值不仅要求量的确切值，而且衰减值不能随时间、温度或其他因素改变。

射频硬件 (cont’d)分配器• 分配器负责信号分配，分配器也叫功率分配器，简称功分器。• 所有的分配器都是无源器件。• 在实际测试中会使用到功分器，尤其是在进行 RX 性能测试的时候。

射频硬件 (cont’d)耦合器• 信号从 IN 进入耦合器，信号从 OUT 输出。 此外，当信号从 IN 到 OUT 的过程中， 信号的一小部分被虹吸掉，在 COUPLNG被取出来，被称作取样端口。• 一个耦合器对一个射频信号采样，如果有不对的地方，返回时就告诉其他

器件进行改变。• 耦合器的类型： 定向和双向——定向耦合器意味着它只有一个采样端口，只在一个方向工

作。双向耦合器有两个采样端口，可以在两个方向上工作。 正交耦合器——几乎与双向功率分配器完全一样，它的输出功率在两个输

出间被均分，两个输出是反相的。

Coupler

射频系统卫星通信• 卫星技术是为解决 RF 行为视距传输局限而提出的。携带足够能量的任何防线的发射信号都能达到它的目的地接收机，这都是针对短距离而言。当RF 信号需长距离传输时，就会出现问题，接收机由于地球存在曲率而被阻挡。

• 携带足够能量的 RF 信号进行长距离传输时会发生的情况就是，信号奔向太空。正因为这样， FCC才能给在不同地方的不同呼叫方分配相同的频率。

• 低频信号 (频率小于 30MHz) ， RF 能量收到电离层反射，而沿地球传播，卫星不需要接收这个频段的信号。

• 同步卫星——在赤道上方 22,000mile ，在这个轨道上，卫星绕地球转动的速度与地球自转的速度相同。

• 卫星通信使用的是双工通信。卫星天线接收上行链路信号 (以上行频率发送 )，并将它发射到双工机。然后双工机将信号路由到 LNA ，进行信号的放大。接下来，混频器将信号搬移到下行链路频率，最后，信号经过高功率放大器并通过双工机发送到天线。这个系统简称为应答器。

射频系统 (con’d)卫星通信• GPS—— 一种特殊的卫星系统，全球定位系统。由 24颗卫星组成，它仅连续发送一个信号，不提供接收用户信号的设备。 GPS 发送的信号主要用在两个方面：导航和定时。

THE END