解密RF信號鏈：特性和性能指標(biāo)

簡介

從歷史的角度來看，就在不久之前，也就是20世紀(jì)初，支持RF信號鏈的RF工程學(xué)還是一門新興的學(xué)科。如今，RF技術(shù)和射頻器件深深根植于我們的生活，沒有它們，現(xiàn)代文明可能不會存在。生活中有無數(shù)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(shù)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(xiàn)，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(jīng)常在與特定頻率無關(guān)的其他環(huán)境中廣泛使用該術(shù)語，所以，此術(shù)語變得更加令人費解。那么，RF是什么？

通過關(guān)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(chǔ)，涵蓋多種含義。¹這個基礎(chǔ)代表了現(xiàn)代包羅萬象的定義，不依賴于單個方面或特定數(shù)值來區(qū)分RF和其他術(shù)語。術(shù)語RF適用于許多具有構(gòu)成此定義 特性的任何電路或組件。

我們已設(shè)定了本次探討的背景，現(xiàn)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(xiàn)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(guān)、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(yīng)用，其總體標(biāo)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(shè)計一個能夠滿足目標(biāo)應(yīng)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(chǔ)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，我們編寫了這篇討論文章，它包含兩個部分。第一部分的目標(biāo)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(biāo)。第二部分的目標(biāo)是：深入介紹可用于針對所需應(yīng)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(guān)的主要特性和性能指標(biāo)。

RF術(shù)語簡介

目前有多種參數(shù)用于描述整個RF系統(tǒng)及其分立式模塊的特性。根據(jù)應(yīng)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(guān)緊要。僅通過本文，肯定無法對如此復(fù)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(fù)雜的相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶?、易于理解的RF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(shù)語。我們可以使用S矩陣，將復(fù)雜的RF網(wǎng)絡(luò)表示為簡單的N端口黑盒。常見的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(fù)振幅，Vn– 是n端口反射波電壓的復(fù)振幅。2當(dāng)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(wǎng)絡(luò)，其中的元素（或S參數(shù)）根據(jù)這些電壓波之間的關(guān)系來量化RF能量如何通過系統(tǒng)傳播?，F(xiàn)在，我們使用S參數(shù)來表示典型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(dāng)于端口1到端口2的傳輸系數(shù)（S12也可以按類似方法定義）。以對數(shù)標(biāo)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(biāo)量對數(shù)增益。此參數(shù)是放大器和其他RF系統(tǒng)的重要指標(biāo)，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(shù)表示，即插入損耗(IL)，這是衰減器和濾波器的典型指標(biāo)。

如果我們現(xiàn)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(dāng)其他端口以匹配負載端接時，這些項相當(dāng)于相應(yīng)端口的反射系數(shù)|Γ|。根據(jù)公式1，我們可以將反射系數(shù)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(jù)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(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(shù)的這種簡單關(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，它不會改變其固有的S參數(shù)，但可能會改變其端口的反射系數(shù)以及端口之間的傳輸系數(shù)。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(nèi)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(guān)鍵的性能度量——帶寬(BW)。

雖然此術(shù)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(biāo)準(zhǔn)限制的頻率范圍。但是，它可能具有不同的含義，因具體的應(yīng)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?qū)崟r帶寬是指系統(tǒng)在不需要重新調(diào)諧的情況下能夠產(chǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)表示，沒有考慮非線性效應(yīng)。但是，在一般情況下，通過RF網(wǎng)絡(luò)的功率電平持續(xù)升高通常會帶來更明顯的非線性效應(yīng)，最終導(dǎo)致其性能下降。

我們在談?wù)摼哂辛己镁€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(guān)鍵指標(biāo)滿足目標(biāo)應(yīng)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(guān)鍵指標(biāo)。

我們首先需要考慮的參數(shù)是輸出1 dB壓縮點(OP1dB)，它定義了通用器件從線性模式轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)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(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）的電平進行測量，可以分為諧波和交調(diào)產(chǎn)物（參見圖3）。諧波是處于基波頻率的整數(shù)倍位置的信號（例如，H1、H2、H3諧波），而交調(diào)產(chǎn)物是非線性系統(tǒng)中存在兩個或更多基波信號時出現(xiàn)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(diào)產(chǎn)物出現(xiàn)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(diào)產(chǎn)物與基波信號相結(jié)合，會產(chǎn)生三階交調(diào)產(chǎn)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(diào)失真(IMD)，這是描述系統(tǒng)非線性度的一個重要術(shù)語。²

圖3 諧波和交調(diào)產(chǎn)物

與二階交調(diào)失真(IMD2)和三階交調(diào)失真(IMD3)相關(guān)的雜散分量會對目標(biāo)信號造成干擾。用于量化干擾嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)為交調(diào)點(IP)。我們可以區(qū)分二階(IP2)和三階(IP3)交調(diào)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(shè)點，在這些點上，相應(yīng)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(diào)點是一個純數(shù)學(xué)概念，但它是衡量RF系統(tǒng)對非線性度耐受性的重要指標(biāo)。

圖4 非線性特性的定義

噪聲

現(xiàn)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(jù)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(shù)(NF)這個重要指標(biāo)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(shù)比。以線性標(biāo)度表示的噪聲系數(shù)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(shù)等于由|S21|定義的插入損耗。在多個有源和無源組件構(gòu)成的更復(fù)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(jù)Friis公式（假設(shè)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(jié)論，RF信號鏈的前兩級是系統(tǒng)總體噪聲系數(shù)的主要來源。這正是在接收器信號鏈的前端配置噪聲系數(shù)最低的組件（例如低噪聲放大器）的原因。

如果我們現(xiàn)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(yīng)用，例如，在RF通信應(yīng)用中，一般使用相位噪聲，而在數(shù)字系統(tǒng)中，則通常使用抖動。相位抖動是指信號相位內(nèi)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(nèi)的噪聲功率，認為在此帶寬內(nèi)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(shù)，并基于這些系數(shù)衍生出很多參數(shù)，可用于量化各種應(yīng)用領(lǐng)域中RF信號鏈的性能。例如，在噪聲和雜散的基礎(chǔ)上衍生出動態(tài)范圍(DR)這個術(shù)語，用于描述系統(tǒng)實現(xiàn)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(diào)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(yīng)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(shù)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(shù)規(guī)格造成限制。例如，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的相位噪聲或抖動會導(dǎo)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(jié)論

我們可以使用多種特性和性能指標(biāo)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(guān)性可能因應(yīng)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(zhuǎn)化為雷達、通信、測量或其他RF系統(tǒng)等目標(biāo)應(yīng)用中的關(guān)鍵要求和技術(shù)規(guī)格。

ADI憑借業(yè)界廣泛的RF、微波和毫米波解決方案的組合，以及深厚的系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)知識，能夠滿足各種嚴(yán)苛的RF應(yīng)用要求。這些從天線到比特的廣泛的分立式和全集成ADI解決方案有助于開啟從DC到100 GHz以上的整個頻譜，并提供出色的性能，支持通信、測試和測量儀器、工業(yè)、航空航天和防務(wù)等應(yīng)用實現(xiàn)多種RF和微波設(shè)計。

參考文獻

1M. S. Gupta?！癛F是什么？”IEEE微波雜志，第2卷第4期，2001年12月。

2 David M. Pozar。 微波工程，第4版，Wiley，2011年。

作者簡介

Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后，Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔(dān)任科學(xué)家。他于2015年加入ADI公司擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，目前為ADI公司戰(zhàn)略與重點客戶提供現(xiàn)場應(yīng)用支持，主要負責(zé)RF應(yīng)用。