射频理论基础
前言
什么是射频？
射频（Radio Frequency，简称RF）指的是电磁波谱中的一部分，通常指频率范围在1GHz到300GHz之间的电磁波，包括UHF（超高频）、SHF（超级高频）和EHF（极高频）频段，这些频段广泛应用于现代通信系统，如移动电话、卫星通信和雷达。
通信：微波频段支持移动电话网络、卫星通信和Wi-Fi等。
雷达：用于交通控制、导航和速度测量。
工业：微波炉和工业加热。
科学：通过射电天文学研究宇宙射线。
射频设备和电路的设计非常注重信号的稳定性和传输效率，通常需要特定的技术来减少信号的损耗和干扰。
一、射频理论基础
1.1 微波
微波：波长<0.5m
波长简单来说就是波在介质种完成一个完整周期所需的长度
微波的波长（λ）、频率（f）和光速（c）之间的关系可以通过以下公式表示：
波长公式：
\[λ=\frac{c}{f}\]其中： λ 是波长，单位为米（m） f 是频率，单位为赫兹（Hz） c 是光速 3×10^8m/s
频率越高，波长越短，这就解释了为什么在高频率下，传统的电阻等元件会表现出不同的特性。例如，在微波频率下，电阻的引线可能表现为电感性，这是由于趋肤效应的影响。表面效应是指高频信号在导体的外层传播，导致能量集中在导体的表面，增加了电感性反应。
1.2 微波系统基本框图
graph LR
A((射频源)) --> B[调制器]
C(信息) --> B
B --> D[放大器]
D --> E>发射端]
E -. 电磁波 .-> F>接收端]
F --> G[射频放大器]
G --> H((混合器))
I((本振)) --> H
H --> J[中频放大器]
J --> K[解调器]
二、常用射频和微波术语
2.1 分贝（dB）：
分贝（dB）是一个对数单位，用于表示功率或电压的比率。功率的分贝表示为：
\[dB=10\log_{10}\left(\frac{P_{2}}{P_{1}}\right)\]其中 $P_{2}$ 和 $P_{1}$ 是功率值，单位为瓦特。
在电压的情况下，分贝表示为：
\[dB=20\log_{10}\left(\frac{V_{2}}{V_{1}}\right)\]3dB的变化表示功率的加倍或减半，10dB的变化表示功率的10倍变化。
2.2 反射系数（Γ）：
反射系数描述了传输线与负载之间的阻抗不匹配时的反射情况。其定义为反射电压与入射电压的比值：
\[\Gamma=\frac{Z_{L}-Z_{0}}{Z_{L}+Z_{0}}\]其中$Z_{L}$是负载阻抗，$Z_{0}$是传输线的特性阻抗。
2.3 其他常用术语与缩略语
| 缩略语 | 名称 |
|---|---|
| PAD | 20dB功率衰减器(Power Attenuator Device) |
| CW | 常数波（Constant Wave） |
| VSWR | 电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio) |
| RL | 回波损耗（Return Loss） |
| VNA | 矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer) |
| FFT | 快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform) |
| RF | 无线电频率（Radio Frenquency） |
| IF | 中频(Intermediate Frenquency) |
| LO | 本振（Local Oscillator） |
| LPF | 低通滤波器（Low Pass Filter） |
| HPF | 高通滤波器（High Pass Filter） |
| BPF | 带通滤波器(Band Pass Filter) |
| BW | 带宽（Bandwidth） |
| DSP | 数字信号处理(Digital Signal Processing) |
| LNA | 低噪声放大器(Low Noise Amplifier)，提高期望的信号电平，同时贡献最小的噪声 |
| SNR | 信噪比(Signal to Noise Ratio) |
| PLL | 锁相环(Phase Locked Loop) |
| OSLT | 开短载通 |
| open circuit | 开路 |
| short circuit | 短路 |
| load circuit | 载路 |
| through circuit | 通路 |
| OFDM | 正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing） |
| VCO | 压控晶振(电压控制晶振)(Voltage Controlled Oscillator) |
| DIB | 设备接口板(Device Interface Board) |
| DPD | 数字预失真矫正（Digital predistortion） |
| DUT | 待测试设备（Device Under Test） |
| ECAL | 电子校准（Electroinc Calibration） |
| ISI | 符号间干扰(Intersysmbol Interference) |
| ACP | 邻道功率（Adjacent Channel Power） |
| SEM | 频谱杂散模板（Spectral Emission Mask ） |
| ACPR | 邻道功率抑制比（Adjacent Channel Power Rejection） |
| IMD | 交调失真(Intermodulation Distortion) |
| RFSA | 射频信号分析仪（Radio Frequency Signal Analyzer） |
| RFSG | 射频信号发生器（Radio Frequency Signal Generator） |
| ASK | 振幅移位键控（Amplitude Shift Keying） |
| FSK | 频率移位键控（Frequency Shift Keying） |
| PSK | 相位位移键控（Phase Shift Keying） |
| QPSK | 正交相位位移键控（Quadrature Phase Shift Keying） |
| 8-PSK | 8进制相位位移键控（8-ary Phase Shift Keying） |
| AM | 幅值调制（Amplitude Modulation） |
| FM | 频率调制（Frequency Modulation） |
| PM | 相位调制（Phase Modulation） |
| AMPM | 幅值调制转相位调制（AM to PM） |
| QAM | 正交调幅（Quadrature Amplitude Modulation） |
| BER | 位误码率（Bit Error Rate） |
| EVM | 错误矢量幅度（Error Vector Magnitude） |
| BERT | 位误码测试仪（Bit Error Rate Tester） |
| RRC Filter | 根升余弦滤波器（Root Raised Cosine Filter） |
| 术语 | 名称 |
| Phase Noise | 相位噪声 |
| Harmonic Distortion | 谐波失真 |
| Occupied Bandwidth | 所占带宽 |
| Power in Band | 带内功率 |
| Baseband Filter | 基带滤波器 |
| Modulated Source | 调制源 |
| Intermodulation | 交调 |
| Power De-embedding | 功率去嵌入 |
| Input Impedance/Return Loss | 输入阻抗/回波损耗 |
| Gain/Power level | 增益/功率级 |
| 1dB Compression | 1分贝压缩点（用于测量待测设备的线性度） |
| IP2 | 2阶交调截取点 |
| IP3 | 3阶交调截取点 |
| Noise Factor | 噪声系数 |
| VCO Tuning Range | 压控晶振(电压控制晶振)调谐范围 |
| Settling Time | 建立时间 |
| Sensitivity test | 灵敏度测试 |
| Spectrum Analyzers | 频谱分析仪 |
| Constellation Diagram | 星座图 |
| Eye Diagram | 眼图 |
| RF Torque Wrench | 射频扭力扳手 |
| RF Mixer | 射频混频器（下变频是将RF射频信号与LO本振信号混合后转换为IF中频信号） |
| Smith Chart | 史密斯圆图 |
| S-Parameter | 散射参数 |
三、传输线理论
什么是传输线？
传输线是信号或功率从一个点传输到另一个点的媒介。常见的传输线有同轴电缆、微带线和条形线。
在高频情况下，传输线有其特征阻抗（$Z_{0}$），可以通过单位长度的系列电阻（R）、电感（L）、电容（C）和导电（G）等参数来描述。
驻波与电压驻波比： 当负载阻抗与传输线的特性阻抗不匹配时，会产生反射，形成驻波。电压驻波比（VSWR）是衡量反射的一个指标，计算公式为：
\[VSWR=\frac{1+\lvert\Gamma\rvert}{1-\lvert\Gamma\rvert}\]其中，Γ是反射系数。VSWR为1表示完美匹配（无反射），较高的值则表示不匹配。
四、S参数
什么是S参数？
散射参数（S参数）用于描述高频电路的行为，特别适用于射频网络。S参数有助于表征如放大器、滤波器和天线等元件。常见的二端口网路S参数包括： S11 和 S22：表示输入和输出端口的反射。 S21：表示信号通过设备的增益（正向传输）。 S12：表示反向传输的隔离性。
当波形沿着一个方向传播时， 入射波的能量被传输线或电路反射/散射，这样导致入射波的能量被分解成各种方向的波的能量，S-Parameter就是这样一个基于入射波，反射波以及透射波三者关系的一个基本概念
史密斯圆图（Smith Chart）常用于可视化S参数和解决阻抗匹配等问题。
五、功率测量
峰值功率与RMS功率：
功率与电压的平方成正比（除以阻抗）：
\[P=\frac{V^2}{R}\]对于时变信号，使用均方根（RMS）功率来表示其”直流等效”值，并代表信号传递的功率。
六、调制
6.1 调制技术类型
Technology and Modulation Type
Radio, mobile phones (1G): AM, FM
Mobile GSM/DCS (2G): GMSK
Mobile EDGE (2.5G): 8-PSK
Mobile W-CDMA (3G): HPSK
Mobile LTE Advanced (4G): QPSK, 16-QAM
Mobile LTE Advanced (4G): QPSK, 16-QAM
Cordless phones DECT: GFSK
WLAN: OFDM
Bluetooth: GFSK
GPS: BPSK
七、总结
微波和射频技术是现代通信系统、雷达以及各类工业应用的基础。理解诸如分贝、传输线理论、S参数等关键概念对于设计和优化这些系统至关重要。使用工具如史密斯图，工程师可以分析和优化射频元件，确保功率传输的效率和最小的信号损失。