因此，為了設計一個(gè)能夠滿(mǎn)足目標應用的特定系統，RF系統工程師必須能夠真正從系統級視角考慮，且對基礎的關(guān)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(xiě)了這篇討論文章，它包含兩個(gè)部分。第一部分的目標是：簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)RF信號鏈的各種單個(gè)組件及其類(lèi)型。在本文中，我們將重點(diǎn)討論第一部分，并考慮與RF系統相關(guān)的主要特性和性能指標。

 

RF術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

 

目前有多種參數用于描述整個(gè)RF系統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(wú)關(guān)緊要。僅通過(guò)本文，肯定無(wú)法對如此復雜的主題展開(kāi)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(guān)內容轉變?yōu)槠胶?、易于理解的RF系統屬性和特性指南，從而簡(jiǎn)明全面地概述最常見(jiàn)的RF性能。

 

基本特性

 

散射矩陣（或S矩陣）是在描述RF系統行為時(shí)需要用到的一個(gè)基本術(shù)語(yǔ)。我們可以使用S矩陣，將復雜的RF網(wǎng)絡(luò )表示為簡(jiǎn)單的N端口黑盒。常見(jiàn)的2端口RF網(wǎng)絡(luò )（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(shí)，我們可以通過(guò)散射矩陣來(lái)描述該網(wǎng)絡(luò )，其中的元素（或S參數）根據這些電壓波之間的關(guān)系來(lái)量化RF能量如何通過(guò)系統傳播?，F在，我們使用S參數來(lái)表示典型RF網(wǎng)絡(luò )的主要特性。

 

圖2.用S矩陣表示的2端口網(wǎng)絡(luò )。

 

在網(wǎng)絡(luò )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(lèi)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(chēng)為增益或標量對數增益。此參數是放大器和其他RF系統的重要指標，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(lái)定義S11和S22。當其他端口以匹配負載端接時(shí)，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(guān)聯(lián)：

 

 

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(gè)比值使用的端口，我們可以區分輸入和輸出回波損耗?；夭〒p耗始終是非負值，表示網(wǎng)絡(luò )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(jiǎn)單關(guān)系只有在所有端口都匹配的情況下才有效，這是定義網(wǎng)絡(luò )本身的S矩陣的前提條件。如果網(wǎng)絡(luò )不匹配，它不會(huì )改變其固有的S參數，但可能會(huì )改變其端口的反射系數以及端口之間的傳輸系數。

 

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系統的共同基本特性。它定義了這些系統所支持的頻率范圍，并給我們提供了一個(gè)更關(guān)鍵的性能度量——帶寬(BW)

 

雖然此術(shù)語(yǔ)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。帶寬一般會(huì )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(lái)簡(jiǎn)單定義一下不同的含義：

 

3 dB帶寬是信號功率電平超過(guò)其最大值一半的頻率范圍。

瞬時(shí)帶寬(IBW)或實(shí)時(shí)帶寬是指系統在不需要重新調諧的情況下能夠產(chǎn)生或獲取的最大連續帶寬。

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(gè)頻率分量（可繼續分解）之間的最小間隔。例如，在頻譜分析儀系統中，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(gè)示例；但是，無(wú)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(xiàn)性

 

需要指出的是，RF系統的特性不僅會(huì )隨著(zhù)頻率變化，也會(huì )隨著(zhù)信號功率電平而變化。我們在本文開(kāi)頭描述的基本特性通常用小信號S參數表示，沒(méi)有考慮非線(xiàn)性效應。但是，在一般情況下，通過(guò)RF網(wǎng)絡(luò )的功率電平持續升高通常會(huì )帶來(lái)更明顯的非線(xiàn)性效應，最終導致其性能下降。

 

我們在談?wù)摼哂辛己镁€(xiàn)性度的RF系統或組件時(shí)，通常是指用于描述其非線(xiàn)性性能的關(guān)鍵指標滿(mǎn)足目標應用要求。我們來(lái)看看這些常用來(lái)量化RF系統非線(xiàn)性行為的關(guān)鍵指標。

 

我們首先需要考慮的參數是輸出1 dB壓縮點(diǎn)(OP1dB)，它定義了通用器件從線(xiàn)性模式轉換為非線(xiàn)性模式的拐點(diǎn)，即系統增益降低1 dB時(shí)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系統的輸出功率范圍。

 

一旦系統處于非線(xiàn)性模式，就會(huì )使信號失真、產(chǎn)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(jìn)行測量，可以分為諧波和交調產(chǎn)物（參見(jiàn)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(chǎn)物是非線(xiàn)性系統中存在兩個(gè)或更多基波信號時(shí)出現的信號。如果第一個(gè)基波信號位于頻率f1，第二個(gè)位于f2，則二階交調產(chǎn)物出現在兩個(gè)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(chēng)為H2諧波）。二階交調產(chǎn)物與基波信號相結合，會(huì )產(chǎn)生三階交調產(chǎn)物，其中兩個(gè)（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(xiàn)性RF系統的輸出頻譜表示了交調失真(IMD)，這是描述系統非線(xiàn)性度的一個(gè)重要術(shù)語(yǔ)。

 

圖3.諧波和交調產(chǎn)物。

 

與二階交調失真(IMD2)和三階交調失真(IMD3)相關(guān)的雜散分量會(huì )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(diǎn)(IP)。我們可以區分二階(IP2)和三階(IP3)交調點(diǎn)。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(diǎn)，在這些點(diǎn)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(diǎn)是一個(gè)純數學(xué)概念，但它是衡量RF系統對非線(xiàn)性度耐受性的重要指標。

 

圖4.非線(xiàn)性特性的定義。

 

噪聲

 

現在我們來(lái)看看每個(gè)RF系統固有的另一個(gè)重要特性——噪聲。噪聲是指電信號的波動(dòng)，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(chǎn)生噪聲的機制，噪聲可以分為許多不同的類(lèi)型和形式。但是，盡管存在許多不同的噪聲源，我們也無(wú)需為了描述它們對系統性能的最終影響而深入研究其物理特性。我們可以基于簡(jiǎn)化的系統噪聲模型進(jìn)行研究，該模型使用單個(gè)理論噪聲發(fā)生器，通過(guò)噪聲系數(NF)這個(gè)重要指標來(lái)描述。它可以量化系統所引起的信噪比(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(xiàn)性標度表示的噪聲系數稱(chēng)為噪聲因子。這是RF系統的主要特性，可以控制其整體性能。

 

對于簡(jiǎn)單的線(xiàn)性無(wú)源器件，噪聲系數等于由|S21|定義的插入損耗。在多個(gè)有源和無(wú)源組件構成的更復雜的RF系統中，噪聲由各自的噪聲因子Fi和功率增益Gi來(lái)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總體噪聲系數的主要來(lái)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(zhuān)用器件或系統，說(shuō)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(dòng)和相位噪聲，用于表示時(shí)域（抖動(dòng)）和頻域（相位噪聲）中的信號穩定性。具體選擇哪個(gè)，一般取決于應用，例如，在RF通信應用中，一般使用相位噪聲，而在數字系統中，則通常使用抖動(dòng)。相位抖動(dòng)是指信號相位內的小波動(dòng)，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(jiàn)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(lǐng)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(dòng)態(tài)范圍(DR)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述系統實(shí)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(diǎn)決定，我們稱(chēng)之為線(xiàn)性動(dòng)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(chēng)之為無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。需要注意的是，LDR和SFDR的實(shí)際定義可能因具體的應用而異。

 

系統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的另一個(gè)重要特性，即靈敏度。它主要由系統噪聲系數和信號帶寬決定。接收器本身的噪聲會(huì )對靈敏度和其他系統技術(shù)規格造成限制。例如，數據通信系統中的相位噪聲或抖動(dòng)會(huì )導致眼圖中的星座點(diǎn)偏離其理想位置，使得系統的誤差向量幅度(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(lái)表征RF信號鏈。它們涉及不同的系統方面，其重要性和相關(guān)性可能因應用而有所不同。雖然我們無(wú)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系統等目標應用中的關(guān)鍵要求和技術(shù)規格。

 

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(來(lái)源：亞德諾半導體）