在我们深入探讨之前，我们先来了解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表示射频，此术语的通用定义规定了特定的频率范围：MHz至GHz电磁频谱。但是，如果我们仔细查看其定义并进行比较，就会发现，它们只是对RF频谱的实际边界的定义不同。鉴于我们可能经常在与特定频率无关的其他环境中广泛使用该术语，所以，此术语变得更加令人费解。那么，RF是什么？
通过关注RF的突出特性，包括相移、电抗、耗散、噪声、辐射、反射和非线性，可以确立一致的定义基础，涵盖多种含义。1这个基础代表了现代包罗万象的定义，不依赖于单个方面或特定数值来区分RF和其他术语。术语RF适用于许多具有构成此定义 特性的任何电路或组件。
我们已设定了本次探讨的背景，现在可以开始进入正题，分析图1中的通用RF信号链。其中使用分布式元件电路模型来体现电路中的相位偏移，在较短的RF波长下这种偏移不可忽略，因此该集总电路的近似表示不适用于这些类型的系统。RF信号链中可能包括各种各样的分立式组件，如衰减器、开关、放大器、检测器、合成器和其他RF模拟器件，以及高速ADC和DAC。将所有这些组件组合起来用于特定应用，其总体标称性能将取决于这些分立式组件的组合性能。
图1. 一个通用RF信号链
因此，为了设计一个能够满足目标应用的特定系统，RF系统工程师必须能够真正从系统级视角考虑，且对基础的关键概念和原则有一致的理解。这些知识储备非常重要，为此，我们编写了这篇讨论文章，它包含两个部分。第一部分的目标是：简要介绍用于确定RF器件的特性和量化其性能的主要特性和指标。第二部分的目标是：深入介绍可用于针对所需应用开发RF信号链的各种单个组件及其类型。
RF信号链—第1部分：特性和性能指标
RF术语简介
目前有多种参数用于描述整个RF系统及其分立式模块的特性。根据应用或用例，其中一些特性可能极其重要，其他特性则不太重要或无关紧要。仅通过本文，肯定无法对如此复杂的主题展开全面分析。但是，我们将尝试按照共同的思路，也就是将一系列复杂的相关内容转变为平衡、易于理解的RF系统属性和特性指南，从而简明全面地概述最常见的RF性能。
基本特性
散射矩阵（或S矩阵）是在描述RF系统行为时需要用到的一个基本术语。我们可以使用S矩阵，将复杂的RF网络表示为简单的N端口黑盒。常见的2端口RF网络（例如放大器、滤波器或衰减器）示例如图2所示，其中Vn+是n端口入射波电压的复振幅，Vn– 是n端口反射波电压的复振幅。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，其中的元素（或S参数）根据这些电压波之间的关系来量化RF能量如何通过系统传播。现在，我们使用S参数来表示典型RF网络的主要特性。
图2. 用S矩阵表示的2端口网络
在网络匹配的情况下，S21相当于端口1到端口2的传输系数（S12也可以按类似方法定义）。以对数标度表示的幅度|S21|代表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系统的重要指标，它也可以取负值。负增益表示固有损耗或失配损耗，通常用其倒数表示，即插入损耗(IL)，这是衰减器和滤波器的典型指标。
如果我们现在考虑同一端口的入射波和反射波，则可以如图2所示来定义S11和S22。当其他端口以匹配负载端接时，这些项相当于相应端口的反射系数|Γ|。根据公式1，我们可以将反射系数的大小与回波损耗(RL)相关联：
回波损耗是指端口的入射功率与源极的反射功率之比。根据我们估算这个比值使用的端口，我们可以区分输入和输出回波损耗。回波损耗始终是非负值，表示网络的输入或输出阻抗与朝向源极的端口阻抗的匹配程度。
需要注意的是，IL和RL与S参数的这种简单关系只有在所有端口都匹配的情况下才有效，这是定义网络本身的S矩阵的前提条件。如果网络不匹配，它不会改变其固有的S参数，但可能会改变其端口的反射系数以及端口之间的传输系数。2
非线性
需要指出的是，RF系统的特性不仅会随着频率变化，也会随着信号功率电平而变化。我们在本文开头描述的基本特性通常用小信号S参数表示，没有考虑非线性效应。但是，在一般情况下，通过RF网络的功率电平持续升高通常会带来更明显的非线性效应，最终导致其性能下降。
我们在谈论具有良好线性度的RF系统或组件时，通常是指用于描述其非线性性能的关键指标满足目标应用要求。我们来看看这些常用来量化RF系统非线性行为的关键指标。
我们首先需要考虑的参数是输出1 dB压缩点(OP1dB)，它定义了通用器件从线性模式转换为非线性模式的拐点，即系统增益降低1 dB时的输出功率水平。这是功率放大器的基本特性，用于将该器件的工作电平设置为趋向饱和输出功率(PSAT)定义的饱和电平。功率放大器通常位于信号链的最后一级，因此这些参数通常定义RF系统的输出功率范围。
一旦系统处于非线性模式，就会使信号失真、产生杂散频率分量，或者杂散。杂散是相对于载波信号（单位：dBc）的电平进行测量，可以分为谐波和交调产物（参见图3）。谐波是处于基波频率的整数倍位置的信号（例如，H1、H2、H3谐波），而交调产物是非线性系统中存在两个或更多基波信号时出现的信号。如果第一个基波信号位于频率f1，第二个位于f2，则二阶交调产物出现在两个信号的和频和差频位置，即f1 + f2和f2 – f1，以及f1 + f1和f2 + f2（后者也称为H2谐波）。二阶交调产物与基波信号相结合，会产生三阶交调产物，其中两个（2f1 – f2和2f2 – f1）特别重要，由于它们接近原始信号，因此难以滤除。包含杂散频率分量的非线性RF系统的输出频谱表示了交调失真(IMD)，这是描述系统非线性度的一个重要术语。2
图3. 谐波和交调产物
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。用于量化干扰严重程度的重要指标为交调点(IP)。我们可以区分二阶(IP2)和三阶(IP3)交调点。如图4所示，它们定义输入（IIP2、IIP3）和输出（OIP2、OIP3）信号功率电平的假设点，在这些点上，相应的杂散分量的功率将达到与基波分量相同的电平。虽然交调点是一个纯数学概念，但它是衡量RF系统对非线性度耐受性的重要指标。
图4. 非线性特性的定义
如果我们现在考虑生成信号的专用器件或系统，说到其噪声性能特征，一般是指受噪声源影响的信号特性。这些特性就是相位抖动和相位噪声，用于表示时域（抖动）和频域（相位噪声）中的信号稳定性。具体选择哪个，一般取决于应用，例如，在RF通信应用中，一般使用相位噪声，而在数字系统中，则通常使用抖动。相位抖动是指信号相位内的小波动，相位噪声则是其频谱表示，定义为相对于载波频率不同频偏处，1Hz带宽内的噪声功率，认为在此带宽内功率均衡（参见图5）。
图5. 相位噪声特性示例
多种衍生品
到目前为止，我们考虑了多种重要系数，并基于这些系数衍生出很多参数，可用于量化各种应用领域中RF信号链的性能。例如，在噪声和杂散的基础上衍生出动态范围(DR)这个术语，用于描述系统实现所需特性的工作范围。如图4所示，如果该范围的下限由噪声决定，上限由压缩点决定，我们称之为线性动态范围(LDR)；如果其上限由最大功率电平（该电平使交调失真变得不可接受）决定，我们称之为无杂散动态范围(SFDR)。需要注意的是，LDR和SFDR的实际定义可能因具体的应用而异。2
系统能够处理生成具有指定SNR输出信号的最低信号电平定义了接收器系统的另一个重要特性，即灵敏度。它主要由系统噪声系数和信号带宽决定。接收器本身的噪声会对灵敏度和其他系统技术规格造成限制。例如，数据通信系统中的相位噪声或抖动会导致眼图中的星座点偏离其理想位置，使得系统的误差向量幅度(EVM)降低，误码率(BER)随之增高。
第1部分结论
我们可以使用多种特性和性能指标来表征RF信号链。它们涉及不同的系统方面，其重要性和相关性可能因应用而有所不同。虽然我们无法在一篇文章中全面阐述所有这些因素，但如果RF工程师能深入理解本文所探讨的这些基本特性，就可以将它们轻松转化为雷达、通信、测量或其他RF系统等目标应用中的关键要求和技术规格。
参考文献
2 David M. Pozar。微波工程，第4版，Wiley，2011年。
RF信号链—第2部分：基本构建模块
分立式和集成式组件是构成各个应用领域的RF信号链的基础功能性构建模块。在文章的第一部分，我们讨论了用于表征系统的主要特性和性能指标。然而，为了达到期望的性能，RF系统工程师还必须对各类RF器件有充分的了解，RF器件的选择将决定最终应用中完整RF信号链的整体性能。
第2部分将概述典型RF信号链中使用的不同器件的主要类型，我们的讨论将限于最常见的RF集成电路(IC)，并依赖于与系统级信号链定义相关的分类标准。该评估包括RF放大器、频率产生IC、倍频器和分频器、混频器、滤波器和开关，以及衰减器和检波器。
如果LNA、PA、VGA和其他类型的RF放大器设计为在宽频率范围（高达数个倍频程）内工作，那么这些放大器也可以归类为宽带放大器。此类放大器提供宽带放大和中等增益，常常用于宽带应用中主信号路径的前端级。宽带放大器常常依赖于分布式放大器电路设计，并提供大增益带宽积，但通常要付出效率和噪声方面的代价。
RF放大器的多样性当然不限于本文中讨论的那些。基于放大器特性，我们还有许多其他类型的RF放大器，其提供不同的性能特征组合，这里仅举几个例子：限幅放大器在宽输入功率范围内提供稳定的压缩输出功率，低相位噪声放大器针对高信号完整性应用进行了优化，对数放大器本质上就是实现RF检波功能的RF-DC转换器（参见“RF检波器”部分）。表1总结了我们所讨论的主要放大器类型。
表1. RF放大器的一些主要类型总结
放大器类型 |
区别性特性 |
低噪声放大器 |
放大低功率信号，引入的噪声极小 |
功率放大器 |
以高效率提供高输出功率 |
高IP3放大器 |
为高波峰因数的信号提供高线性度性能 |
可变增益放大器 |
通过提供可调增益来处理宽范围的信号电平 |
宽带放大器 |
在宽范围的频率上工作 |
驱动放大器 |
调节相连器件的工作条件 |
缓冲放大器 |
使负载阻抗变化对信号源的影响最小化 |
增益模块 |
提供良好的增益平坦度和回波损耗，所需外部元件极少 |
限幅放大器 |
在宽输入范围内提供稳定的压缩输出功率 |
低相位噪声放大器 |
加性相位噪声极小 |
RF放大器还可以基于其他标准进行分类，例如特性、工作模式（放大器类别）、装配或工艺技术，其完整分类超出了本文的范围。但是，本节从RF信号链架构定义出发，讨论了行业中采用的一些最常见类型的RF放大器。
集成VCO的频率合成器将PLL和VCO组合在单个封装中，只需要外部参考和环路滤波器就能实现所需的功能。集成式PLL频率合成器是一种多功能解决方案，具有广泛的数字控制设置，支持产生精确频率。它常常包含集成功率分路器、倍频器、分频器和跟踪滤波器，频率覆盖范围超越了VCO的基频范围，达到数个倍频程。所有这些元件的内在参数决定了输出频率范围、相位噪声、抖动、锁定时间和其他表示频率合成电路总体性能的特性。
转换环路是基于PLL概念的另一类频率合成器，但采用不同的方法实现。如图2b所示，其反馈环路中使用的是集成下变频混频级，而不是N分频器，环路增益设置为1，带内相位噪声极小。转换环路IC（参见图2b中的虚线区域）专为对抖动高度敏感的应用而设计，并与外部PFD和LO组合使用，以紧凑的尺寸实现完整的频率合成解决方案，提供仪表级性能。
直接数字频率合成(DDS) IC是集成PLL频率合成器的替代方案，采用不同的原理实现。基本DDS架构的原理图如图2c所示。它是一种数字控制系统，包括表示时钟信号的高精度参考频率、创建目标波形数字版本的数字控制振荡器(NCO)以及提供最终模拟输出的数模转换器(DAC)。DDS IC提供快速跳频、精细的频率和相位分辨率以及低输出失真，因此特别适合于出色噪声性能和高频率捷变性至关重要的应用2。
图2.(a) 锁相环、(b) 转换环路、(c) 直接数字频率合成器的简化框图
频率产生器件广泛用于对性能有不同要求的应用。例如，通信系统需要低带内噪声以维持低误差矢量幅度(EVM)，频谱分析仪依赖于具有快速锁定时间的本振来实现快速频率扫描，高速转换器需要低抖动时钟以确保高SNR性能。
RF混频器
基本形式的RF混频器是一个3端口器件，使用非线性或时变元件产生一个包含两个输入信号的和频率与差频率的输出信号。RF混频器可以一般地区分为无源混频器和有源混频器。无源混频器使用二极管元件，或将FET晶体管用作开关，而有源混频器依赖于晶体管电路来实现变频。无源混频器可以提供宽带宽和高线性度性能，不需要外部直流偏置，而且噪声系数一般优于有源混频器。但是，无源混频器存在转换损耗，并且需要高LO输入功率，而有源混频器能提供增益，所需的LO驱动电平要低得多。实现下变频器或上变频器的替代设计可以将无源混频器核和有源电路结合以提供转换增益，而不会损害NF和线性度4。
混频器IC有很多不同设计，最基本的是单端（或不平衡）。基于二极管的单端混频器的概念拓扑如图3a所示。单端混频器仅使用一个非线性元件来实现频率转换，这种解决方案很简单，但性能有限，因为端口和高杂散之间的隔离很差。平衡式混频器设计利用其电路的对称性来克服上述限制。根据对称程度，平衡式混频器可以分为单平衡、双平衡和三平衡混频器。单平衡混频器（参见图3b）由两个以90°或180°混合方式结合的不平衡混频器组成。此类混频器提供高LO-RF隔离，可抑制RF或LO信号以及输出端的偶数次LO谐波。使用各类双平衡混频器可以进一步改善性能。图3c显示了一个常见例子，其四环配置使用了四个肖特基二极管，RF和LO端口均放置有混合元件。双平衡混频器提供高整体性能和良好的端口间隔离，能够抑制RF和LO频率以及所有偶数次RF和LO谐波，因而是广泛使用的一类RF混频器IC5。三平衡混频器可以实现更高的隔离度和线性度。此类混频器将两个双平衡设计组合起来，形成更高程度的对称性以优化变频过程，但代价是电路复杂度显著提高。
图3.(a) 单端、(b) 单平衡、(c) 双平衡和 (d) 镜像抑制混频器的概念拓扑
同相正交(I/Q)混频器是单独的一类平衡设计。I/Q混频器利用相位抵消来消除干扰镜像信号，而无需外部滤波。普通I/Q混频器在下变频模式（参见图3d）下通常可以用作镜像抑制混频器(IRM)，在上变频模式下可以用作单边带(SSB)混频器。集成缓冲器和驱动放大器的I/Q混频器仅针对两种工作模式中的一种而设计，因而可以将其区分为I/Q下变频器和I/Q上变频器。这些混频器与另一类频率转换IC密切相关，称为I/Q调制器和I/Q解调器。I/Q调制器和I/Q解调器提供一个配合数据转换器使用的高阻抗差分基带接口，因而非常适合于直接变频收发器应用。具体而言，它们构成了现代高集成度RF收发器IC的核心6。
图4.滤波器频率响应：(a) 低通滤波器，(b) 高通滤波器，(c) 带通滤波器，(d) 带阻滤波器
RF开关
RF开关是用于路由高频信号通过信号链的控制器件。其关键功能可以利用不同类型的开关元件实现，包括PIN二极管、FET晶体管或微机械悬臂梁。根据开关元件的布置方式，开关设计可以有不同数量的“刀”（由开关控制的单独电路）和“掷”（开关可以为每个“刀”使用的单独输出路径）。单刀n掷(SPnT)开关将信号从一个输入路由到n个输出。例如，单刀单掷(SPST)开关将一个输入连接到一个输出，提供简单的开关功能；单刀双掷(SPDT)开关将一个输入连接到两个输出（参见图5a）；单刀四掷(SP4T)开关将输入信号路由到四个输出路径（参见图5b）。RF开关还可以有多个“刀”，此类开关称为转换开关（参见图5c）。最常见的例子是双刀双掷(DPDT)配置，其具有两个单独的电路，这些电路可以连接到两个输出路径中的一个。
RF开关设计可以有更复杂的拓扑结构，其将多个较低阶的开关组合在一起。此类IC称为开关矩阵或交叉点开关，可在多个输入和多个输出之间提供灵活的RF信号路由。
图5.RF开关示例：(a) 吸收式SPDT、(b) 反射式SP4T和 (c) 控制转换开关及真值表示例。
（注意：RFC = RF公共端口，CTRL = 控制电压端口）。
RF检波器
基本形式的集成式RF检波器是一个2端口器件，提供与施加于输入端的RF信号功率成比例的输出电压信号。与基于二极管的分立检波器实现相反，集成式RF检波器提供多种开箱即用的优势，包括宽温度范围内的稳定输出电压、更容易的器件校准和用于与ADC直接接口的缓冲输出9。最常见RF检波器IC是各类需要测量RF信号功率幅度的应用中使用的标量检波器。标量检波器的主要类型包括RMS功率检波器、对数检波器和包络检波器。
RMS功率检波器提供施加于RF输入的实际信号功率的精确rms表示。有线性响应rms检波器，其rms输出是线性响应的直流电压，还有线性dB响应的对数rms检波器，实际RF输入功率每改变1 dB，其输出电压也改变相同的量。这两类rms检波器非常适合不需要快速响应时间的应用，测量复数调制信号（其高波峰因数随时间而变化）的波形无关功率。它们通常用于平均功率监测、发射信号强度指示(TSSI)、接收信号强度指示(RSSI)和自动增益控制(AGC)。
对数检波器（也称为对数放大器）将输入RF信号转换为精确的对数线性直流输出电压。对数检波器提供非常高的动态工作范围。这是利用连续压缩方法实现的，依赖于一系列耦合到检波器的级联限幅放大器，其输出在级联拓扑结构的输出级加总。随着输入功率增加，连续放大器逐渐进入饱和，从而生成对数函数近似值。对数检波器非常适合于高动态范围应用，包括RSSI和RF输入保护。
连续检波对数视频放大器(SDLVA)是一种特殊类型的对数检波器，提供平坦的频率响应和优越的上升/下降与延迟时间，因而是要求超高速性能的应用（包括瞬时频率测量、方向查找接收器和电子智能应用）的首选解决方案。
包络检波器（也称为峰值检波器或AM检波器）提供与RF输入信号的瞬时幅度成比例的基带输出电压。包络检波器IC通常利用快速切换肖特基二极管实现，因而是需要非常快速响应时间的较低动态范围应用的理想解决方案。包络检波器的典型应用包括PA偏置控制中的效率增强包络跟踪、PA线性化、快速过大RF功率保护、高分辨率脉冲检测和I/Q调制器的LO泄漏校正。
除了标量检波器外，还有一种称为矢量功率测量IC的集成检波器。它们提供超出标量功率测量功能的扩展能力10 。矢量功率测量检波器可以测量信号的多个参数，包括幅度、相位和沿着传输路径的行进方向（前向或反向）。在无线发射器中的天线调谐、模块化系统中的内置测试和材料分析等应用中，此类器件是在线测量散射参数的理想解决方案。
第2部分结论
在RF信号链系列的第二部分中，我们讨论了代表典型RF信号链的基本构建模块的一些主要RF IC，并进行了分类。但是，在此概述中，我们仅触及了各种类型和形式的RF器件的皮毛。越来越复杂的RF系统需要更完整的信号链解决方案，这导致了将多个功能模块整合在同一封装中或一个芯片上的众多IC设计的发展。这些器件可以集成混频器、PLL、VCO、放大器、检波器和其他器件，以紧凑的外形尺寸提供高度先进的功能，并提供更简单的设计、更低的功耗、更低的成本和更短的开发周期。
参考资料
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2. Jim Surber和Leo McHugh。“单芯片直接数字频率合成与模拟PLL”。《模拟对话》，第30卷第3期，1996年7月。
3. Hittite Microwave Corp. “简化频率合成器的有源倍频器和分频器”。Microwave Journal，2002年11月。
4. Thomas Schiltz、Bill Beckwith、Dong Wang和Doug Stuetzle。“在下变频器应用中无源混频器相比于有源混频器可提高增益并降低噪声”。ADI公司，2010年10月。
5. David M. Pozar。Microwave Engineering（微波工程），第4版，Wiley，2011年。
6. Abhishek Kapoor和Assaf Toledano。“混频器面貌之变迁”。ADI公司，2016年9月。
7. Bilge Bayrakci。“采用硅技术的射频和微波控制产品”。ADI公司，2016年3月。
8. Eric Carty、Padraig Fitzgerald和Padraig McDaid。“ADI公司的革命性MEMS开关技术基本原理”。ADI公司，2016年11月。
9. Eamon Nash。“理解、操作基于二极管的集成式RF检波器并与之接口”。ADI公司，2015年11月。
10. Eamon Nash和Eberhard Brunner。“带两个RMS检波器的集成双向桥，用于测量RF功率和回波损耗”。《模拟对话》，第52卷第2期，2018年5月。
11.“2020年RF、微波和毫米波产品选型指南”。ADI公司，2020年8月。
作者简介
Anton Patyuchenko于2007年获得慕尼黑技术大学微波工程硕士学位。毕业之后，Anton曾在德国航空航天中心(DLR)担任科学家。他于2015年加入ADI公司担任现场应用工程师，目前为ADI公司战略与重点客户提供现场应用支持，主要负责RF应用。
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