RF的常用基本概念计算及相关知识
射频电路原理
射频电路原理1. 引言射频（Radio Frequency，简称RF）电路是指工作频率在无线电波段（一般为3kHz 到300GHz）的电子电路。
射频电路在现代通信系统、雷达、无线电和卫星通信等领域起着至关重要的作用。
本文将详细解释与射频电路原理相关的基本原理。
2. 射频电路基础知识2.1 常见射频波段射频波段按照工作频率可以分为若干个子波段，常见的射频波段包括： - 低频：3kHz - 300kHz - 中频：300kHz - 30MHz - 高频：30MHz - 300MHz - 超高频：300MHz - 3GHz - 极高频：3GHz - 30GHz - 毫米波：30GHz - 300GHz2.2 射频信号特点与低频信号相比，射频信号具有以下特点： - 高工作频率：由于工作在无线电波段，所以具有较高的工作频率。
- 多径传播：射频信号在传播过程中会经历多次反射、散射和绕射，导致多径传播效应。
- 多普勒效应：射频信号在移动通信等场景下，会由于发射源或接收器的运动而产生多普勒频移。
- 传输损耗：射频信号在空间传输过程中会受到路径损耗和自由空间衰减的影响，导致信号强度衰减。
2.3 射频电路元件常见的射频电路元件包括： - 电感器：用于实现阻抗匹配、滤波、谐振等功能。
- 电容器：用于实现阻抗匹配、耦合、滤波等功能。
- 变压器：用于实现阻抗变换、耦合等功能。
- 晶体管：常用的放大元件，可以实现放大和开关功能。
- 集成电路（IC）：集成了多个功能模块的射频电路芯片。
3. 射频信号特性3.1 幅度特性射频信号的幅度可以表示为功率或电压。
在射频系统中，常用dBm（分贝毫瓦）来表示功率级别，dBV（分贝伏特）来表示电压级别。
由于射频信号幅度较小，通常使用对数单位来表示。
3.2 相位特性射频信号的相位表示了信号在时间和空间上的变化情况。
相位可以用角度（度或弧度）表示，也可以用时间延迟来表示。
在射频电路中，相位差常用来描述信号之间的相对关系。
RF 基础知识
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数字中频方案
第一次混频后的信号经放大直接进行A/D变换， 然后采用两个正交的数字正弦信号作本振，采 用数字相乘和滤波后得到基带信号。
优点：处理灵活
缺点：对A/D要求高：速度、分辨率(量化噪声)、动态范 围、线性度
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低噪声放大器(Low Noise Amplifier)的特点
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混频器的性能指标
(5)口间隔离 本振向射频泄漏：影响LNA工作，甚至通过天线辐射; 射频向本振泄漏：强干扰信号影响本振，出现频率牵引; 本振向中频泄漏：使中频放大器过载;
等指标衡量，下面分别讨论这三个指标。
•1dB压缩点
•
例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输
入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益
保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出
将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平
称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。如
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通信系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ组成
30.07.2021
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无线通信使用的频率和波段
• 无线电波波段划分
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• 在一些欧、美、日等西方国家常常把部分微波 • 波段分为L、S、C、X、Ku、K、Ka等波段（或称子波段），
频率和波 长
波段代号 L S C
频率范围
1~2GHz 2~4GHz 4~8GHz
(3)线性范围 混频器对输入小信号而言，是线性网络，随着信号的
增加会出现非线性失真。 指标: 1dB压缩点 ·三阶互调截点 ·线性动态范围
RF基础与测量
射频基础与测量R&S 中国培训中心©2005主要内容一、基本理论o RF基本概念o RF系统的构成o调制与解调二、RF测量o RF信号的测量o RF系统的测量三、测试仪器培训达到的目的1.熟悉射频基本概念.2.了解射频基本测试方法.3.对测试仪器有一定了解.通信系统分类ƌ按传输媒介1.有线通信系统2.无线通信系统ƌ按调制方式1.模拟通信系统2.数字通信系统常用的通信系统音频范围(AF) f<1MHz 射频范围(RF) f<3GHz 微波范围f<40GHz 毫米波范围f>40GHz什么是RF?1.RF,radio frequency,主要指发射的无线电波(又称射频) ,应用于无线通信。
2.RF有时称为高频,它是相对于低频而言。
3.RF的用途,主要是迅速而准确地传输信息,以克服距离上的障碍,是无线通信的关键技术,是传输信息的载体。
RF无处不在RF应用于无线通信1.AMPS、TACS2.GSM/EDGE/GPRS3.CDMA、WCDMA、TD-SCDMA4.Bluetooth5.WLAN 802.11a/b/g(Wi-Fi)6.WIMAX 802.167.PHS8.DECT9.analog wireless communication,Walkie-talkieRF信号是模拟的1.无线数字通信系统采用数字调制方式.2.无线模拟通信系统采用模拟调制方式.3.无线通信系统不管是模拟还是数字的,RF信号是模拟的.常用的微波波段代号0.375－0.380－1000.3W0.5－0.37560－800.4V 0.75－0.540－600.6U 1.11－0.7527－400.8Ka 1.67－1.1118－271.25K 2.5－1.6712－182Ku 3.75－2.58－123X 7.5－3.754－85C 15－7.52－410S 30－151－222L 波长范围（cm ）频率范围（GHz）标称波长（cm ）波段代号波理论3.当天线可与波长相比拟时,发射效率越高.fc *λ=1.波长与频率成反比,C 是光速，等于3×108米/秒2.波具有直射/反射/绕射/衍射特性,频率越高,直射能力越强,频率越低,绕射能力强.4.RF 是频率很高的波.常用的工程量纲功率：1w=103mw=106µwdBm=10lg(P/1mw))dB=10lg(P/Pref电平：1V=103mv=106µv频率：1kHz=103Hz1MHz=106Hz1GHz=109HzRF端口阻抗1.通常RF电缆和端口为50欧姆2.广播电视同轴电缆为75欧姆3.当负载阻抗和输出阻抗相等时,能够得到最大功率传输4.当端口之间阻抗不相等时,信号会发生反射RRLRF连接头1. BNC，频率最高2GHz2. N ，频率最高18GHz3. SMA ，频率最高24GHz4. 3.5mm ，频率最高38.8GHz5. 2.92mm ，频率最高46.5GHz6.Female,阴头或母头；Male,阳头或公头SMA 阳–SMA 阳SMA阴BNC 阳-BNC 阴N 阴-N 阴N 阳-BNC 阴射频与微波模块、元器件1.电阻R、电容C、电感L2.单端口器件（天线、吸收负载）3.双端口器件（滤波器、衰减器、放大器、移相器）4.多端口器件（混频器，耦合器，功分器/合路器、隔离器、双工器）RF模块/天线RF 模块/合路器性能指标：插入损耗：A 1-B 1带内波动：E 带外抑制：F端口回波损耗：A 1-C 1隔离度：A 1-D1A 1A 2RF模块/放大器1.低噪声放大器（LNA），位于接收机前端。
RF 基础知识
射频 输入
I Q 低通滤波器
90o
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直接下变频方案
• 零中频方案的优点：
– 无镜频干扰 – 射频部分电路模块少，易满足线性动态范围 要求。 – 不需要中频滤波器
• 零中频方案的缺点：
– 本振泄漏 – 低噪声放大器偶次谐波失真干扰 – 直流偏差 – 噪声
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直接下变频方案
直流偏差示意图
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噪声相关概念
• 噪声定义
• 噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确 切预测的干扰信号（各类点频干扰不是
算噪声）。常见的噪声有来自外部的 天电噪声，汽车的点火噪声，来自系 统内部的热噪声，晶体管等在工作时 产生的散粒噪声，信号与噪声的互调 产物。
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相位噪声
• 相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱 纯度的一个指标，在时域表现为信号过零点的 抖动。理想的单音信号，在频域应为一脉冲， 而实际的单音总有一定的频谱宽度，如下面所 示。一般的本振信号可以认为是随机过程对单 音调相的过程，因此信号所具有的边带信号被 称为相位噪声。相位噪声在频域的可以这样定 量描述：偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内 的功率与总信号功率相比。
带通
发射机射频部分：完成基带信号对载波的调制，并搬移到适当的频段 上以一定功率发射。
基带信号 带通
低噪声 放大器
天馈
接收机射频部分：选出有用信号，经放大后由解调器解调，把频带信号 变为基带信号。
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发射机与接收机射频部分设计的关键问题
– – – – – –
合适的调制、解调方法 接收机需要能够选出有用信号，并抑制干扰 接收机的灵敏度线性动态范围 高效率的 不失真的功率放大器 发射信号对相邻信道干扰要尽可能小 天线转换器的损耗要小，隔离度要高
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IIP2：Input two tone 2nd order intercept point 输入双音二阶交调点 OIP2：Output two tone 2nd order intercept point 输出双音二阶交调点 IIMMD22：输Th出e 功d率if和feIrMe2n之ce差s between output power and
IMD 3 (dBc)
IIP3(dBm)
Slope=3
图中，蓝色线表 示基波成分，斜 率为1；绿色线表 示三阶交调分 量，斜率为3。
虚线为实现线性 部分的延伸
Pin(dBm)
Pout(dBm) OIP2(dBm)
P1dB (dBm) Slope=1
G(dB)
IMD 2 (dBc)
IM2(dBm)
Slope=2
的，是用功率检测电平控制压控衰减器实 现的。
IP3定义
非线性器件IP3的定义为：在非线性器件输入端，加等幅、 不同频率（、）的双音信号，由于器件的非线性，非线 性器件的输出信号中有三阶交调分量、产生。输入信号 功率增加1dB，输出信号中三阶交调分量、功率增加3dB。 在对数坐标中，以X轴作为输入信号功率，Y轴作为输出 信号功率，延长输出信号中基波分量、三阶交调分量、 的线性部分，两线会交于一点。该点在X轴上的坐标值称 为IIP3，在Y轴上的坐标值称为OIP3。
伪动态范围计算2
因为Pin,MIN = F+SNRmin 所以SFDR= ( 2 PIIP3 +F )/3-(F+SNRmin)
=2 ( PIIP3 -F )/3-SNRmin
RF基础知识与史密斯圆图
RF基础知识与史密斯圆图一．RF电路的应用：1．无线通讯，尤其是移动电话的发展。
2．全球定位系统（GPS）。
3．计算机工程（总线系统，CPU以及其他一些频率超过600MHz 的外围设备）。
&<60;二．频谱：1．射频（RF）：用于电视，无线电话，GPS等等，工作频率在300MHz 到3GHz，在空气中的波长范围在1米到10厘米。
2．微波（MW）：用于雷达，远外传感等，工作频率在8GHz到40GHz，在空气中的波长范围从3.75厘米到7.5毫米。
&<60;三．S参数在微波及射频上的应用1．网络端口参数：对于线性的网络，或者是非线性的网络但信号很小，其响应可以看成是线性的，这时候我们可以不管其内部结构，仅通过测量端口的参数来表征电路的特性，一旦端口的参数被确定，这个网络在任何外部环境下的工作情况也基本上可以预见。
2．麦克斯韦方程式只要和电磁场相关的问题，最终都可以用麦克斯韦方程来解释，包括：▽·E＝ρ／ε0▽·B＝0▽×E＝-B▽×B＝μ0j＋μ0ε0E从物理意义上讲，这四个方程代表的如下四方面电磁场的基本理论：第一个方程式阐明了电场随距离的变化与电荷（如电子）密度的关系。
距离越远电场越弱，但是电荷密度越大（也就是说在给定空间内电子数越多），电场就越强；第二个方程式告诉我们磁理论中没有磁“单极子”，将一块磁铁锯成两半你也不可能得到一个孤立的“南”极和一个孤立的“北”极，每一块磁铁都有自己的“南”极和“北”极；第三个方程告诉我们变化的磁场如何产生电场；第四个方程所描述的正好相反，即变化的电场（或者说电流）如何产生磁场。
麦克斯韦方程式还可以表达为：其实质是一样的。
3．单端口和双端口网络单端口，双端口以及多端口网络的图示如下：通常来说，有Y,Z,H和S参数可供测量分析电路网络，前三个参数主要用于集总电路，Y也称电导参数，Z称为电阻参数，H称为两者混合参数。
RF基本概念
dBmdBm是一个表示功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。
如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。
如果功率40W，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=46dBm。
dBdB是一个表示相对值的值，即表示两个功率之间之差。
公式为10lg（甲功率/乙功率）如果甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。
也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。
40W功率对应46dBm，则43dBm就是20W，49dBm就是80W。
dBi 和dBddBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。
dBi 的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。
一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2. 15。
dBcdBc也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。
一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。
在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。
1、功率/电平（dBm）：放大器的输出能力，一般单位为w、mw、dBm注：dBm是取1mw作基准值，以分贝表示的绝对功率电平。
换算公式：电平（dBm）=10lgw5W → 10lg5000=37dBm10W → 10lg10000=40dBm20W → 10lg20000=43dBm从上不难看出，功率每增加一倍，电平值增加3dBm2、增益（dB）：即放大倍数，单位可表示为分贝（dB）。
即：dB=10lgA（A为功率放大倍数）3、插损：当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减，单位用dB表示。
4、选择性：衡量工作频带内的增益及带外辐射的抑制能力。
-3dB带宽即增益下降3dB时的带宽，-40dB、-60dB同理。
RF基本概念
RF基本概念培训教材基本概念Radio Frequency ，简称RF。
射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。
每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。
1．频率：一个信号在一秒周期内循环的次数。
2．微波：微波具有很高的频率，在一秒周期内有1G~2G的循环。
3．滤波器：需要的波可以通过，不需要的波滤掉。
4．双工器：双工器包含两个连接在一起的滤波器，这两个滤波器有一个公共的端口，叫天线端。
它们的功能也不同，一个传输信号，一个接受信号，两个滤波器的响应在频率上很接近，因此一个必须抑制另一个滤波器的信号。
5．插损：有多少功率损失在装置中。
6．回损：损耗在装置中产生的回波。
7．为什么校准？排除网络分析仪的误差，了解电缆的性能是否良好以及各种未知情况，消除系统误差。
8．何时校准？测试新产品之前或检查出系统误差较大的时候。
9．如何判断校验是否成功？Channel 1. S11或S22,Channel 2. S21,看系统匹配S21是否>-0.005dB,S11和S22是否当你校验好之后，将双阴连接，再接你使用的负载，看测量值回波损耗是否11．网络分析仪的电缆每天要清洁，减少误差。
你每天使用的连接件也必须每天用酒精和棉签清洁，同样是为了减少误差。
12．带内波动：通带内最差的插损减去最小的插损。
（数值都是用绝对值） 13．滤波器最好的插损可能在哪里？在通带的中间位置。
14．调试螺钉的作用：调谐螺钉：顺时针旋转，频率向低端偏移。
逆时针旋转，频率向高端偏移。
耦合螺钉：顺时针旋转，将通带频率增宽。
逆时针旋转，将通带频率变窄。
TuningRX：接受端 TX：发射端Attenuation: 在某特定频率范围内，滤波器可大量削弱信号程序：一．校验使用响应校验方式对记录本进行校验，使用完全双端口校验方式对其它记录本进行校验。
在每个班的开始用每台网络分析仪测试参考产品，确保全部网络分析仪工作正常。
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现则在PPin,iMn,MAXAX=是( 当2 PPIIIPM3,i+n F=F)/（3 输入噪底）可以得到的， 这里的F=-174dBm＋NF+10logB (-174dBm室温下的热噪声)
RF的常用基本概念及计算方法
概念 计算 举例 试题
培训的内容
常用基本概念
动态范围 灵敏度 带外抑制 P-1dB点 非线性器件的IP3、IM3及相关参数 ACPR
动态范围（Dynamic Range ）
动态范围定义 伪动态范围
伪动态范围示意图 伪态范围计算
动态范围的定义
IM2：2nd order two tone intermodulation product 双音互调二阶产物
IIP2：Input two tone 2nd order intercept point 输入双音二阶交调点 OIP2：Output two tone 2nd order intercept point 输出双音二阶交调点 IIMMD22：输Th出e 功d率if和feIrMe2n之ce差s between output power and
的，是用功率检测电平控制压控衰减器实 现的。
IP3定义
非线性器件IP3的定义为：在非线性器件输入端，加等幅、 不同频率（、）的双音信号，由于器件的非线性，非线 性器件的输出信号中有三阶交调分量、产生。输入信号 功率增加1dB，输出信号中三阶交调分量、功率增加3dB。 在对数坐标中，以X轴作为输入信号功率，Y轴作为输出 信号功率，延长输出信号中基波分量、三阶交调分量、 的线性部分，两线会交于一点。该点在X轴上的坐标值称 为IIP3，在Y轴上的坐标值称为OIP3。
伪动态范围计算2
因为Pin,MIN = F+SNRmin 所以SFDR= ( 2 PIIP3 +F )/3-(F+SNRmin)
=2 ( PIIP3 -F )/3-SNRmin
灵敏度（Sensitivity）
定义 计算
灵敏度定义
灵敏度：输出信噪比可接受的系统可以接受 到的最小信号。
灵敏度计算
= 3Pout(dBm)-2 OIP3(dBm)
各参数之间的数学关系2
OIP2(dBm)=IIP2(dBm) +G(dB) OIP2(dBm)= Pout(dBm)+IMD2(dBc) IM2(dBm)=2Pin(dBm)- IIP2(dBm) +G(dB)
= 2Pout(dBm)- OIP2(dBm)
定义
Pin,max:电路可以承受的最大输入电平； Pin,min：电路所保证正常的信号质量的最小输入电 平； －在不同的应用中有不同的量化
伪动态范围示意图
Pin,min:灵敏度； Pin,max：在双音测量 IM3(<噪底)中最大输入 电平。
伪动态范围计算1
PIIP3=Pin+(Pout-PIM,out)/2 因为Pout=Pin+G和PIM,out=PIM,in+G
应用
当某器件的输出信号Pout比P1dB小10dB时 （OIP3一般比P1dB大10～20dB），根据式 （3-8）可知，IMD3在40～60dBc之间。
当某器件的输出信号Pout比P1dB小20dB时 （OIP3一般比P1dB大10～15dB），根据 式（3-8）可知，IMD3在60～80dBc之间。
OIP3：Output two tone 3nd order intercept point 输出双音三阶交调点
非线性器件的IP3、IM3及相 关参数2
IM3：3rd order two tone intermodulation product 双音互调三阶产物
IMD3：The differences between output power and IM3 输出功率和IM3之差
应用
对于RF Amplifier、Mixer、Attenuator等非 线性器件，OIP3一般比P1dB大10～15dB, OIP2一般比OIP3大几十dB。
IM3、IIP3、OIP3、G、P1dB 等参数之间的关系
Pout(dBm)
OIP3(dBm) P1dB(dBm)
Slope=1
图中，蓝色线表 示基波成分，斜 率为1；绿色线表 示三阶交调分 量，斜率为3。
非线性器件的IP3、IM3及相 关参数 1
Pin：Input power 输入功率
Pout：Output power 输出功率
G：Gain
增益
P1dB：1dB compression point 1dB压缩点
Hale Waihona Puke IIP3：Input two tone 3rd order intercept point 输入双音三阶交调点
因为
Psig:带内的每个频点的输入信号功率 PRS:带内的每个频点源阻抗噪声
所以
平坦的信道内的灵敏度
Pin,min:B内的总的最小的输入功率
共轭匹配情况下的具体灵敏度计算
示意图
输入噪底＝输出噪底－G
带外抑制（outband rejection）
定义
带外抑制是表征滤波器带的信号，同时抑制 带外所有信号的性能。这个特性正比于系统的 信噪比及误码率（BER）。系统测量带外抑制 的能力直接取决于系统的动态范围指标。
ACPR
ACPR-Adjacent channel power rejection 邻道功率抑制
ACPR来源
互调intermodulation
面临的问题
导致更高的带内噪声 邻道信号功率的泄漏－降低了邻道信噪比
CDMA ACPR
测试1.23MHz 带宽内的频 谱
测量下一个
邻道的上下 边带
IM2(dBm)
Slope=2
虚线为实现线性 部分的延伸
IIP2(dBm)
Pin(dBm)
各参数之间的数学关系 1
Pout(dBm)=Pin(dBm)+G(dB) OIP3(dBm)=IIP3(dBm) +G(dB) OIP3(dBm)= Pout(dBm)+IMD3(dBc)/2 IM3(dBm)=3Pin(dBm)- 2IIP3(dBm) +G(dB)
G(dB) IM3(dBm)
IMD3 (dBc)
IIP3(dBm)
Slope=3
虚线为实现线性 部分的延伸
Pin(dBm)
Pout(dBm) OIP2(dBm)
P1dB(dBm) Slope=1
图中，蓝色线 表示基波成 分，斜率为1； 绿色线表示二 阶交调分量， 斜率为2。
G(dB)
IMD2 (dBc)
ACPR(dBc)=带内的总功率/邻道功率
（885MHz）
实例
P-1dB点(增益压缩)
P-1dB点是输入信号变化1dB，输出信号也 变化1dB，当输入信号变化1dB 是的输出 信号有很小变化时的输入信号的大小。
P-1dB点(增益压缩)
因为 所以
P-1dB点示意图
很多电路，如果α3<0 ，输出会发现压缩和 饱和。
P-1dB点与ALC起控点的区别
P-1dB点是器件特性 ALC起控点是对于有放大模块的保护作用