解密RF信號鏈：特性和性能指標

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(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，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這個基礎代表了現代包羅萬象的定義，不依賴于單個方面或特定數值來區(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(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

目前有多種參數用于描述整個RF系統(tǒng)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?yōu)槠胶狻⒁子诶斫獾腞F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）根據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在，我們使用S參數來表示典型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（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(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：

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(qū)分輸入和輸出回波損耗?；夭〒p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

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，以及高速模數轉換器或數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(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。2

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（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比。以線性標度表示的噪聲系數稱為噪聲因子。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)總體噪聲系數的主要來源。這正是在接收器信號鏈的前端配置噪聲系數最低的組件（例如低噪聲放大器）的原因。

如果我們現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，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(tài)范圍（DR）這個術語，用于描述系統(tǒng)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(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，數據通信系統(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。

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