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當(dāng)我剛畢業(yè)入行時，我問前輩，“什么是射頻? 想做好射頻工程師應(yīng)該怎么做？”
前輩說：“你干著干著就明白了”。
工作了十幾年，我參悟一二。要想做好射頻工程師，還是得回到最初的問題，什么是射頻？
射頻=電磁波？
“射頻”有很多“角色”
在醫(yī)療行業(yè)，射頻是能夠刺激膠原蛋白產(chǎn)生、淡紋、抗老、溶脂的美容儀的高科技，某款網(wǎng)紅射頻美容儀價格 3000元+。
在消費(fèi)電子行業(yè)，射頻是藏在手機(jī)里傳輸4G/5G、Wi-Fi 信號的重要載體，一款智能手機(jī)的價格在1000-1w元+。
不僅如此，上天的衛(wèi)星，自動駕駛里的雷達(dá)都得靠“射頻”。
我們之所以覺得射頻有點(diǎn)神秘，是因?yàn)椴荒苤苯佑醚劬?、用耳朵感知到它。那射頻到底是什么？又是怎么形成的呢？
初中物理課，我們學(xué)過安培定律，電流通過導(dǎo)線會在周圍生成磁場。
物理學(xué)家麥克斯韋在安培定律的基礎(chǔ)上，提出電磁波：振蕩的電場會產(chǎn)生振蕩的磁場，振蕩的磁場又會引發(fā)電場的變化，二者在空間中不斷相互作用并傳播，從而形成電磁波。
射頻其實(shí)是“一部分”電磁波。
“一部分”
頻率就是衡量這“一部分”的關(guān)鍵角色。
頻率是電磁波中交變電流每秒鐘的振蕩次數(shù)，單位是赫茲Hz。如圖1-1的電流波形，在1秒內(nèi)有10個周期，則其頻率為10Hz。
（圖1-1）
廣義上，射頻是頻率范圍在3 kHz到300 GHz的電磁波。
為什么是這“一部分”呢？
射頻英文是Radio ?Frequency，又叫做無線電頻率，就是能傳播無線電信號的頻率。
?電磁波頻率低于100 kHz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸。
?電磁波頻率高于100 kHz時，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力。
射頻是具有遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)能力的電磁波，2G/3G/4G/5G移動通信信號、 Wi-Fi信號、衛(wèi)星、雷達(dá)信號等都在射頻上傳輸。射頻像一個看不見、摸不著的管道，無需要介質(zhì)就能傳播數(shù)據(jù)，在不同介質(zhì)中傳播速率又有所不同。
射頻頻率范圍從3KHz-300GHz，相當(dāng)于交變電流一秒鐘震蕩3000次-300億次，這范圍非常大。所以，為了方便管理，相關(guān)部門又將頻率分為甚低頻、低頻、中頻、高頻……極高頻，不同頻段用途也相對不同。（如圖1-2）
（圖1-2，中國無線電頻率劃分）
電磁波除了頻率外，還有個很重要的衡量單位——波長。
波長（λ）是一個震蕩周期的傳播距離，在速度一定的情況下，波長和頻率成反比，λ = c / f。
?頻率就會越低，波長越長，傳播距離越遠(yuǎn)，指向性就會較弱；
?頻率越高，波長越短，傳播距離越近，指向性會更強(qiáng)。
根據(jù)波長，射頻又被分為P波段、L波段、S波段……毫米波。（圖1-3）
（圖1-3，電磁波波長和頻率的分類）
從這里可以知道，我們常說的毫米波其實(shí)就是波長在1mm-10mm的電磁波。
這就不難理解，毫米波具備穿透力強(qiáng)，但傳播距離近的特點(diǎn)。
射頻如何作為“看不見的管道”傳輸無線信號？
無線信號諸如，4G/5G信號是如何通過射頻傳輸?shù)哪兀?/p>
我們面對面聊天，聲音信號是通過空氣傳輸?shù)蕉?，聲音是低頻模擬信號，這樣的信號傳遞距離有限。如果不依靠“黑科技”，想和遠(yuǎn)方的朋友、家人聊天，喊破嗓子也沒用。
那4G、5G無線網(wǎng)絡(luò)、智能手機(jī)又是怎么把我們聲音傳的那么遠(yuǎn)呢？
這時候具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的射頻就登場了。
我們打電話、發(fā)短信，其實(shí)是聲音、圖像通過手機(jī)里的基帶單元和射頻單元“配合工作”通過一定頻率的射頻，傳輸給基站，基站再通過射頻傳送給遠(yuǎn)方的手機(jī)中。（如圖1-4）
這個一定頻率，是國家相關(guān)部門規(guī)定的頻率，在5G時代，中國移動使用2.5 GHz至2.6 GHz，4.8GHz至4.09GHz頻率等，中國電信和中國聯(lián)通使用3.3 GHz至3.6 GHz頻率等。
信號分為模擬信號和數(shù)字信號，模擬信號是時間上連續(xù)的信號，數(shù)字信號就是時間上離散的0、1信號。我們打電話時，我們發(fā)出的聲音就是模擬信號，但這樣的信號抗干擾能力差，頻率低，不能直接在射頻傳輸。
（圖1-5，數(shù)字信號與模擬信號差別）
這就要求手機(jī)里的“基帶電路”和“射頻電路”相互配合。
（圖1-6，射頻超外差系統(tǒng)）
首先我們先看基帶電路部分：
基帶電路對聲音信號“打包處理”
我們在發(fā)快遞的時候，一般要將貨物包裝，才能保證長時間的運(yùn)輸能夠不破損，不丟失，合理的包裝方式，還能更節(jié)省空間，讓貨物傳輸效率更高，基帶電路可以看作是將原始信息“打包處理”的過程。
在我們拿起手機(jī)，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)打電話時候，手機(jī)中接著電流的話筒可以把聲音振動轉(zhuǎn)換成振動規(guī)律與之相同的振蕩電流，生成模擬信號，基帶單元會對模擬信號進(jìn)行采樣、編碼成能“代表”聲音的數(shù)字信號，然后再調(diào)制成更高效傳輸?shù)哪M信號，給射頻電路。
①?采樣：把連續(xù)的聲音信號，分割成多個采樣點(diǎn)。如何采樣能保證不遺漏信息？早在1928年，奈奎斯特定理解決了如何將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的問題。在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號就能完整地保留原始信號中的信息。
② 編碼：將這些連續(xù)的語音信號采樣之后要進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)換成0-1信號。編碼分為兩部分，信源編碼和信道編碼。
信源編碼是將聲音和畫面轉(zhuǎn)化成0、1信號，比如對于音頻信號，一般使用AMR語音編碼，對于視頻信號，一般會用MPEG-4編碼（MP4），還有H.264、H.265編碼。
信道編碼是將額外的（0、1）比特?cái)?shù)據(jù)加到“信息隊(duì)列”中，對信源信號的傳輸起到一定“保護(hù)”作用。這些額外的比特?cái)?shù)據(jù)可以用于糾錯，也可以用于抗干擾，有時也作為識別或均衡所需的訓(xùn)練序列（training sequence）。在2G-5G時代用的Turbo碼、Polar碼，LDPC碼等信道編碼方式。
③ 調(diào)制：編碼好的數(shù)字信號，是非常長的0、1數(shù)列，這部分的調(diào)制是將已經(jīng)編碼好的數(shù)字信號，通過改變“頻率、相位、振幅”調(diào)制回連續(xù)的模擬信號。
這部分調(diào)制稱作做數(shù)字調(diào)制，一般可以分為幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK），以及QAM（正交振幅調(diào)制）等，即分別通過調(diào)整幅度、調(diào)整頻率和調(diào)整相位，以及同時調(diào)整幅度和相位來將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。（如圖1-7）
（圖1-7，數(shù)字調(diào)制方式）
QAM是使用I和Q兩路正交的模擬信號來表示數(shù)字信號的二進(jìn)制比特，一般可以分為4QAM、16QAM、64QAM等，即一個符號位可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)不同，諸如16QAM可以傳輸4個比特信號，64QAM可以傳輸6個比特信號，QAM的階數(shù)越高，能傳輸?shù)谋忍匦盘栐蕉?，因此QAM調(diào)制具有更快的速率，更高傳輸效率。
目前5G用的編碼方式主要有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，Wi-Fi7的調(diào)制方式最高已經(jīng)實(shí)現(xiàn)4K QAM。
經(jīng)過采樣、編碼、調(diào)制的模擬信號，讓信號的準(zhǔn)確性、抗干擾性更強(qiáng)，但是頻率依然較低，達(dá)不到射頻傳輸?shù)囊螅@時候射頻電路就要開始“工作”了。
射頻電路：接收和傳輸信號的“工廠”
手機(jī)的射頻電路一般分為發(fā)射機(jī)電路和接收機(jī)電路，發(fā)射機(jī)電路是將調(diào)制后的信號經(jīng)過變頻、濾波、功率放大和天線輻射等過程，最終轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的射頻頻率并傳輸?shù)竭h(yuǎn)方基站，接收機(jī)電路是將從基站接收的信號轉(zhuǎn)化為聲音信號的逆向過程。
組成射頻電路的射頻器件主要包括：
?混頻器：用于改變信號的頻率
?振蕩器：以特定頻率產(chǎn)生波形的設(shè)備
?濾波器：允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過并衰減其他頻率信號的設(shè)備
?放大器：用于增加射頻信號的功率
?天線：用于發(fā)送和接收射頻信號
在接收機(jī)電路部分，一般可以簡單看作如下工作：
變頻（混頻器+振蕩器）：經(jīng)過基帶電路調(diào)制的模擬信號，還是低頻信號，所以需要先通過上變頻變到需要的射頻頻段，通過本地振蕩器生成的高頻信號與基帶信號通過混頻器混合，生成能夠在射頻系統(tǒng)中傳輸?shù)纳漕l信號。但在上變頻過程中會產(chǎn)生不需要的信號成分。
經(jīng)過“變頻”就可以把我們低頻的聲音信號，調(diào)頻到相關(guān)部門已經(jīng)規(guī)定的“4G/5G頻率“上了。
濾波：濾波器能濾除信號通路中不需要的頻率分量,并保留需要的頻率分量,是射頻前端中的核心器件。濾波可以得到更高的頻譜效率。如果沒有濾波，將會出現(xiàn)比發(fā)送信息所需的頻譜寬得多的頻譜。濾波器可分為金屬腔體濾波器、介質(zhì)濾波器、聲學(xué)濾波器和 LC 濾波器。基于性能、成本和尺寸上的綜合考慮,聲學(xué)濾波器正作為射頻前端濾波器的主流類型。
功放：經(jīng)過變頻、濾波的射頻信號，還要通過功率放大，才能有足夠的能力經(jīng)天線向遠(yuǎn)方傳輸。功率放大器是射頻系統(tǒng)中最基本的有源器件，它具有非線性強(qiáng)、功耗大的特點(diǎn)，其工作性能直接影響著整個通信系統(tǒng)的信號質(zhì)量和運(yùn)營成本。例如，功放的尺寸與效率直接關(guān)乎無線通信設(shè)備的制造成本與耗電狀態(tài)；輸出功率決定了無線信號的傳播距離；線性度決定了信號失真度，決定著通信質(zhì)量。
天線：用于發(fā)射和接收電磁波，最基本的也是要依靠電磁感應(yīng)原理，通過有規(guī)律的電場循環(huán)產(chǎn)生可解讀的電磁波信號或通過接收電磁波信號再將其轉(zhuǎn)化為電信號。隨著無線通信技術(shù)向更高速率、更高頻率演進(jìn)，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多根天線發(fā)送，多根天線接收；Massive MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)也對天線設(shè)計(jì)提出更高挑戰(zhàn)。
在實(shí)際的無線通信射頻電路中，由于要支持多個4G、5G頻段，其實(shí)要經(jīng)過多次濾波、變頻、功放的過程，才能夠滿足無線通信的頻譜、帶寬需求，真正實(shí)現(xiàn)全球通話。
手機(jī)的射頻接收電路?通常是指在基站中接收射頻信號“還原成”聲音信號過程，原則上射頻接收電路是發(fā)射電路的逆過程，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中往往更為復(fù)雜。
接收電路首先把輸入的射頻信號下變頻為中頻信號，然后進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)信號和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)的能力通常難度較大，發(fā)射信號經(jīng)常被空氣噪聲、信號干擾、多徑或衰落等因素影響而遭到損壞。于此同時，接收電路需要恢復(fù)載波和符號時鐘。在接收電路中， 符號時鐘的頻率和相位（或計(jì)時）都必須正確，才可以保證成功地解調(diào)比特和恢復(fù)已發(fā)射信息。
射頻器件測試的“關(guān)鍵參數(shù)”都有什么？
對于放大器、天線等關(guān)鍵射頻器件，或者整個射頻系統(tǒng)，如何進(jìn)行準(zhǔn)確的測試呢？一般我們會用到信號源、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，射頻信號發(fā)生器和分析儀可用于測試現(xiàn)代發(fā)射機(jī)和接收機(jī),矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以精準(zhǔn)地表征射頻前端和元器件的性能,關(guān)鍵參數(shù)包括增益、平坦度、相位噪聲、EVM、ACPR等。
增益和平坦度：功率放大器的增益定義為信號輸出幅度與信號輸入幅度的比值。射頻電路設(shè)計(jì)中，增益通常用 dB 作為單位，信號的輸入功率和輸出功率通常用 dBm 作為單位。在工作頻段內(nèi)，理想的 PA 增益應(yīng)該是相同的，但是實(shí)際情況下，帶內(nèi)不同頻率，PA 增益并不相同，甚至相差很大。用帶內(nèi)最大增益與最小增益差來衡量增益平坦度。
ACPR：對于功率放大器，鄰 信 道 功 率 比（Adjacent Channel Power Ratio, ACPR）是一項(xiàng)非常重要的衡量功率放大器線性度的指標(biāo)，用于衡量主功率泄漏至鄰信道的功率量，其值越低，說明鄰信道功率泄漏抑制得越好。
S參數(shù)：用 S 參數(shù)測量被測件（Device under Test, DUT）性能，不存在特定的開路或者短路條件限制，同時可以避免該條件下引起的阻抗不連續(xù)而導(dǎo)致的大幅度電壓與電流波散射。不考慮功放內(nèi)部結(jié)構(gòu)，整體考慮其輸入輸出端口，作為一個二端口網(wǎng)絡(luò)分析，使用 S 參數(shù)表征端口特性。例如，功率放大器的 S 參數(shù)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試。在進(jìn)行測量前，需要選擇好儀器的顯示窗、掃描頻段、掃描點(diǎn)等等，然后需要使用與儀器相匹配的校準(zhǔn)件對儀器進(jìn)行 SOLT 校準(zhǔn)。SOLT 校準(zhǔn)后，開始對功率放大器進(jìn)行 S 參數(shù)測量。
當(dāng)然測試的參數(shù)很多，隨著6G時代的到來，對射頻器件、系統(tǒng)的要求也有更高的提升，所以，李工還有最重要的事想要告訴你：
“工欲善其事，必先利其器”
是德科技提供廣泛的信號發(fā)生器供用戶選擇，頻率覆蓋基帶到 110 GHz（如果與擴(kuò)頻器搭配使用，可進(jìn)一步擴(kuò)展到 1.1 THz）。從基礎(chǔ)功能到高級特性，每款信號發(fā)生器都為同級別產(chǎn)品樹立了性能標(biāo)桿。
是德科技還有眾多先進(jìn)的臺式、手持、通用型和可擴(kuò)展的模塊化頻譜分析儀（信號分析儀）任您選擇，所有分析儀均配有豐富的專用軟件。將您的射頻頻譜分析儀提升到新的性能水平，讓頻譜分析（信號分析）變得輕而易舉。無論您的寬帶應(yīng)用是5G NR、WLAN、衛(wèi)星、雷達(dá)、電子戰(zhàn)，還是您需要進(jìn)行什么頻率范圍（射頻、微波或毫米波）的測試， 是德科技的 M9484C VXG 信號發(fā)生器和 N9032B/N9042B 信號分析儀均能滿足您的需求。
另外，全球超過 70% 的工程團(tuán)隊(duì)選擇是德科技的網(wǎng)絡(luò)分析儀：
?使用 PNA 系列臺式網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)無與倫比的卓越性能 - 頻率高達(dá) 120 GHz，可擴(kuò)展至 1.5 THz。
?采用 ENA 網(wǎng)絡(luò)分析儀降低測試成本 - 頻率高達(dá) 53 GHz。
?利用 PXI VNA 加速多端口設(shè)備的測試 - 頻率高達(dá) 53 GHz，端口數(shù)量多達(dá) 50 個。
?以緊湊的 USB 形式獲得零功能妥協(xié)的網(wǎng)絡(luò)分析儀 - 頻率高達(dá) 53 GHz。
?使用矢量組件分析儀進(jìn)行包括 EVM 和 ACP 在內(nèi)的完整特性表征 - 頻率高達(dá) 67 GHz。
6G 對射頻系統(tǒng)提出哪些挑戰(zhàn)？
5G已經(jīng)進(jìn)入后半場，6G即將登場，從目前預(yù)研的成果看，6G不僅具備更高的頻段、更高的速率要求，還具有毫米波甚至太赫茲、通感一體化、智能超表面等技術(shù)，這些將會為我們的工作提出新的挑戰(zhàn)。
但李工告訴你，先學(xué)好基礎(chǔ)知識，新技術(shù)才能迎刃而解！
通信感知一體化 （ISAC ）：從字面意思可以理解，是要既具備通信又具備感知的能力。通信是基本的功能，感知可以理解為像“雷達(dá)”一樣，感知周邊環(huán)境的狀態(tài)，包括位置、方向、高度、速度、距離，甚至捕捉事物的細(xì)微變化，比如人的手勢，無人機(jī)行駛的方向等。雷達(dá)和傳統(tǒng)的4G/5G通信都要依靠射頻傳輸信號，擁有感知功能以后，射頻系統(tǒng)不僅要傳播信息，還要通過探測和分析接收到的反射信號來進(jìn)行高精度的感知工作。對于天線來說，在大規(guī)模和超大規(guī)模天線的通信感知一體化系統(tǒng)中 ，需要進(jìn)行有效的多天線波形設(shè)計(jì)，更好地利用空間分集 ，提高通信容量，從而為感知提供多樣化的空間變換信息，提升感知性能 。
智能超表面(RIS)：RIS經(jīng)過電磁超材料技術(shù)發(fā)展而來，電磁超材料是通過人工合成的方式，制作成的具有一定電磁性質(zhì)并且以周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列的復(fù)合材料，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，可以將 RIS 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控陣來進(jìn)行發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。RIS表面上規(guī)則地排列了大量的電磁單元，通過對每個電磁單元施加控制信號，可以動態(tài)地調(diào)整電磁單元的電磁性質(zhì)（如容抗、阻抗和感抗等），以完成對空間電磁波的動態(tài)調(diào)控，進(jìn)而智能地調(diào)整無線傳輸信道并重構(gòu)無線傳播環(huán)境超表面對電磁波的調(diào)控能力驅(qū)動了各類前沿電磁功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ，通過改變RIS 上每個電磁單元的相移即可實(shí)現(xiàn)對波束的靈活控制。
