RF信号链讨论：特性和性能指标

今天，射频技术和射频设备在我们的生活中根深蒂固，如果没有它们，现代文明如何生存是不可想象的。社会领域严重依赖RF信号链的例子数不胜数，这是我们讨论的焦点。

但是，在我们深入研究之前，我们需要了解术语 RF 的实际含义。乍一看，这似乎是一个简单的问题。我们都知道RF代表射频，一个共同的定义将该术语与电磁频谱的MHz到GHz部分的特定频率范围联系起来。然而，如果我们仔细研究其公认的定义并进行比较，我们就会意识到它们都以不同的方式定义频谱RF部分的实际边界。鉴于我们可能经常在与特定频率完全无关的其他上下文中遇到该术语的更广泛用法，这一点变得更加令人费解。那么什么是射频？

通过关注RF的区别特征，包括相移、电抗、耗散、噪声、辐射、反射和非线性，可以建立其定义传达多种意义的一致基础。1该基础代表了一个现代的包罗万象的定义，它不依赖于单个方面或特定的数值来区分RF与其他术语。术语RF可以应用于任何电路或组件，这些电路或组件共享许多作为其定义基础的特征。

现在我们已经为我们的讨论设定了背景，我们可以继续讨论其主要主题，并考虑图1中以通用形式描述的RF信号链。它的表示使用分布式元件电路模型来解释电路上的相移，这在较短的RF波长下不可忽略，使得集总电路近似不适用于这些类型的系统。RF信号链可能包括各种分立元件，如衰减器、开关、放大器、检波器、频率合成器和其他RF模拟器件，以及高速ADC和DAC。所有这些组件组合在一起服务于特定应用，其整体指示性能将由其组成分立部件的复合性能决定。

图1.通用射频信号链。

因此，为了设计满足目标应用特定要求的系统，RF系统工程师必须获得实质性的系统级视角，并对其背后的关键概念和原理有一致的理解。这种知识的重要性促使了这一话语的创作，该话语由两部分组成。第一部分的目标是就用于表征RF器件和量化其性能的主要特性和指标提供简明的指导。第二部分的目标是对可用于为所需应用开发RF信号链的各种单个组件及其类型进行结构良好的概述。在本文中，我们将重点讨论第一部分，并考虑与RF系统相关的主要属性和性能指标。

射频术语简介

用于表征完整RF系统及其分立构建模块的规格范围很广。根据应用程序或用例，其中一些特征可能是最重要的，而其他特征则不那么重要或不相关。当然不可能在本文范围内对这样一个复杂的主题进行全面的分析。尽管如此，我们将尝试通过遵循共同的主线，对最常见的射频性能方面进行简明而全面的概述，这些共同主线应将其复杂的星座塑造成一个平衡且易于理解的射频系统特性和特性指南。

基本属性

散射矩阵（或S矩阵）是描述RF系统行为需要知道的基本术语。S矩阵允许我们将最复杂的RF网络表示为简单的N端口黑匣子。图 2 显示了 2 端口 RF 网络（例如放大器、滤波器或衰减器）的常见示例，其中 V 是入射到端口 n 上的电压波的复数幅度，V+–是从端口 n 反射的电压波的复振幅。2当其所有端口都以匹配负载端接时，我们可以通过散射矩阵来描述该网络，散射矩阵的元件或 S 参数根据这些电压波之间的关系量化射频能量如何在系统中传播。现在让我们使用 S 参数来表示典型 RF 网络的主要属性。

图2.由其 S 矩阵描述的 2 端口网络。

S21相当于网络匹配时从端口 1 到端口 2 的传输系数（S12可以类似地定义）。其规模|S21|在对数刻度中描述了输出功率与输入功率的比值，称为增益或标量对数增益。此参数是放大器和其他RF系统的关键属性，在该系统中，它也可以取负值。负增益表示固有损耗或失配损耗，通常由其倒数表示，称为插入损耗（IL），这是衰减器和滤波器的典型属性。

如果我们现在考虑同一端口的入射波和反射波，我们可以定义 S11和 S22如图2所示。这些项等效于反射系数|Γ|在相应的端口上，当另一个端口在匹配负载中终止时。使用公式1，我们可以将反射系数的大小与回波损耗（RL）相关联：

回波损耗描述了端口上的入射功率与反射回源的功率之比。根据我们估计该比率的端口，我们可以区分输入和输出回波损耗。回波损耗始终为非负量，表示网络的输入或输出阻抗与端口处朝向源极的阻抗的匹配程度。

需要注意的是，IL 和 RL 与 S 参数的这种简单关系仅在所有端口都匹配的情况下有效，这是定义描述网络本身的 S 矩阵的主要条件。如果网络不匹配，它不会改变其固有的S参数，但它肯定会改变其端口的反射系数以及它们之间的传输系数。2

频率范围和带宽

我们刚刚描述的所有这些基本量将在整个频率范围内不断变化，这是所有RF系统共有的基本特征。它定义了这些系统的可操作频率，并将我们带到了一个更关键的性能指标——带宽（BW）。

虽然该术语可能仅指信号属性，但其某些形式用于描述处理这些信号的RF系统。在其一般定义中，带宽定义了受特定标准限制的频率范围。但是，它可能具有不同的含义，具体取决于特定的应用程序上下文。为了使我们的论述更完整，让我们对其含义的一些变体给出简要定义：

3 dB BW 是信号功率电平高于其最大值一半的频率范围。

瞬时带宽 （IBW） 或实时带宽定义了系统无需重新调谐即可生成或获取的最大连续带宽。

占用带宽 （OBW） 是包含总集成信号功率指定百分比的频率范围。

分辨率BW（RBW）的一般含义描述了仍然可以解析的两个频率分量之间的最小间隔。例如，在频谱分析仪系统中，它是最终滤波器级的频率跨度。

这些只是各种类型的带宽定义的几个示例;然而，无论其含义如何，RF信号链的带宽在很大程度上取决于其模拟前端以及高速模数或数模转换器的采样速率和带宽。

非线性

需要提到的是，RF系统的特性不仅在不同的频率上有所不同，而且在信号的不同功率水平上也有所不同。我们在本文开头描述的基本属性通常使用小信号 S 参数表示，这些参数不考虑非线性效应。然而，在一般情况下，通过RF网络的功率水平的持续增加通常会导致更明显的非线性效应，最终降低其性能。

当我们谈论具有良好线性度的RF系统或组件时，我们通常是指描述其非线性性能的关键指标满足目标应用的要求。让我们考虑一些通常用于量化RF系统非线性行为的关键指标。

我们应该考虑的第一个参数定义了通用器件从线性模式转换到非线性模式的点：输出 1 dB 压缩点 （OP1dB）。这是系统增益降低1 dB时的输出功率电平。这是任何功率放大器的基本特性，它将器件的操作设置为由饱和输出功率定义的饱和水平（P坐).功率放大器通常属于信号链的最后阶段，因此这些参数通常定义了RF系统的输出功率范围。

一旦系统处于非线性模式，它就会开始使信号失真，产生杂散频率分量或杂散。杂散是相对于载波信号电平（以dBc为单位）测量的，它们可以分为谐波和互调产物（见图3）。谐波是在基频的整数倍处发现的信号（例如，H1、H2、H3 谐波），而互调产物是当非线性系统中存在两个或多个基波信号时出现的信号。如果第一个基波信号的频率为 f1第二个是在 f2，则在其和频和差频f处找到二阶互调积1+ f2和 f2– f1以及 f1+ f1和 f2+ f2（后者已经被我们称为H2谐波）。二阶交调产物和基波信号的组合产生三阶互调产物，其中两个（2f）1– f2和 2f2– f1）尤其重要，因为它们接近原始信号，因此不容易滤波。具有杂散频率分量的非线性RF系统的输出频谱表示互调失真（IMD），这是描述系统非线性度的重要术语。2

图3.谐波和互调产物。

与二阶交调失真（IMD2）和三阶交调失真（IMD3）相关的杂散分量会对目标信号造成干扰。用于量化其严重性级别的关键品质因数是截距点 （IP）。我们可以区分二阶（IP2）和三阶（IP3）截点。如图4所示，它们定义了输入（IIP2、IIP3）和输出（OIP2、OIP3）信号功率电平的假设点，在该点下，相应杂散元件的功率将达到与基波元件相同的电平。虽然截点是一个纯粹的数学概念，但它是RF系统对非线性效应容差的最重要度量。

图4.非线性特性的定义。

噪声

现在让我们考虑每个RF系统固有的另一个重要属性——噪声。该术语描述了包含许多不同方面的电信号波动。根据其频谱以及它影响信号的方式和产生信号的机制，噪声可以分为许多不同的类型和形式。然而，尽管存在许多不同的噪声源变化，但我们不需要深入研究它们的物理特性来描述它们对系统性能的最终影响。我们可以依靠系统的简化噪声模型，该模型使用由称为噪声系数（NF）的关键品质因数描述的单个理论噪声发生器。它量化了系统引起的信噪比（SNR）的下降，并定义为输出端SNR与输入端SNR的对数比。以线性刻度表示的噪声系数称为噪声因子。这是任何射频系统的关键属性，可以控制其整体性能。

对于简单的线性无源器件，噪声系数等于其插入损耗，由|S21|.在由多个有源和无源元件组成的更复杂的RF系统中，由其各自的噪声因子描述，F我和功率增益，G我，噪声根据弗里斯公式沿信号链级联（假设阻抗在每个阶段都匹配）：

由此我们可以得出结论，RF信号链中的前两级是系统整体噪声系数的主要贡献者。这就是为什么在接收器信号链的前端使用噪声系数最低的元件（如低噪声放大器）的原因。

如果我们现在考虑专门用于信号生成的设备或系统，以表征其噪声性能，则更常见的是参考受其噪声源影响的信号特性。这些特性是相位抖动和相位噪声，它们是相互关联的术语，表示信号在时间（抖动）和频域（相位噪声）中的稳定性。首选哪一个通常取决于应用，例如，在RF通信中，通常使用术语相位噪声，而在数字系统中，我们经常会看到术语抖动。相位抖动定义了信号相位的微小波动，而相位噪声描述了其频谱表示，其特征在于相对于载波不同偏移时1 Hz带宽中包含的载波的噪声功率水平，并被认为在该带宽上是均匀的（见图5）。

图5.相位噪声特性示例（1 Hz带宽不按比例计算）。

多重衍生品

到目前为止，我们考虑的最重要的品质因数是用于各种应用领域中RF信号链性能量化的各种导数参数的基础。例如，术语噪声和杂散的组合会导致术语动态范围（DR）的定义。它描述了系统具有理想特性的工作范围。如图4所示，如果该范围在低端受到噪声的限制，而在高端受到压缩点的限制，我们谈论线性动态范围（LDR）;如果其高端由互调失真变得不可接受的最大功率电平定义，我们谈论无杂散动态范围（SFDR）。应该注意的是，根据应用的不同，术语LDR和SFDR的实际定义可能会有所不同。2

系统可以处理以产生具有指定SNR的输出信号的最低信号电平定义了接收器系统的另一个典型重要特性，称为灵敏度。这主要取决于系统噪声系数和信号带宽。接收器固有的噪声限制了其灵敏度以及其他系统规格。例如，数据通信系统中的相位噪声或抖动将导致眼图中的星座点偏离其理想位置，从而降低系统的误差矢量幅度（EVM）并导致更高的误码率（BER）。

结论

有许多属性和性能指标可用于RF信号链的表征。它们涉及不同的系统方面，其重要性和相关性可能因应用程序而异。虽然不可能在一篇文章中考虑所有这些，但对本部分讨论的基本特性的实质性理解将使RF工程师能够轻松地将它们转化为目标应用的一些关键要求和规格，无论是雷达、通信、测量还是任何其他RF系统。

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审核编辑：郭婷