№1,功率相關(guān)的指標(biāo)
(1) 輸出功率(Output Power)
輸出功率是指射頻器件(如放大器、發(fā)射機(jī))輸出的信號(hào)功率,常用的單位是dBm和W(瓦特)輸出功率決定信號(hào)傳輸距離和覆蓋范圍。例如,基站發(fā)射功率通常為40-50 dBm(10W-100 W)。
(2) 增益(Gain)
增益是指射頻器件器件輸出功率與輸入功率的比值(單位為dB),公式如下:
增益是衡量放大器、天線等器件的信號(hào)放大能力能力的一個(gè)參量,例如,低噪聲放大器(LNA)的增益可達(dá)20-30 dB。
(3) 效率(Efficiency)
射頻器件的效率是指輸出功率與輸入直流功率的比值(通常以百分比表示)。公式如下:
效率反映功率轉(zhuǎn)換效率,對(duì)電池供電設(shè)備(如手機(jī))尤為重要。例如典型PA效率為30%-70%。
№2,信號(hào)質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)
(1) 噪聲系數(shù)(Noise Figure, NF)
噪聲系數(shù)是衡量信號(hào)經(jīng)過一個(gè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)后信噪比惡化程度的指標(biāo)。具體來說,噪聲系數(shù)定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值,通常用dB表示。公式如下:
噪聲系數(shù)表征了信號(hào)通過系統(tǒng)后,系統(tǒng)內(nèi)部噪聲導(dǎo)致信噪比惡化的程度。理想情況下,如果系統(tǒng)是無噪的,輸入和輸出的信噪比相等,噪聲系數(shù)為1(或0 dB)。實(shí)際系統(tǒng)中,噪聲系數(shù)總是大于1。低噪聲系數(shù)是接收機(jī)靈敏度的關(guān)鍵,如LNA的NF需低于2 dB。
(2) 相位噪聲(Phase Noise)
相位噪聲是描述信號(hào)相位隨機(jī)波動(dòng)程度的指標(biāo),它反映了信號(hào)在理想頻率附近的不穩(wěn)定性。相位噪聲通常由電子設(shè)備內(nèi)的熱噪聲、閃爍噪聲、散粒噪聲等多種隨機(jī)過程引起。在頻域中,相位噪聲表現(xiàn)為信號(hào)頻譜的擴(kuò)展,即在理想頻率周圍出現(xiàn)連續(xù)的噪聲譜。相位噪聲的單位是dBc/Hz。相位噪聲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)調(diào)制失真,影響通信系統(tǒng)的誤碼率(BER),降低通信質(zhì)量,例如振蕩器的相位噪聲在1 kHz偏移處需低于-100 dBc/Hz。
(3) 諧波失真(Harmonic Distortion)
諧波失真是指信號(hào)在通過非線性系統(tǒng)時(shí),產(chǎn)生的諧波分量對(duì)原始信號(hào)的失真程度。具體來說,諧波失真是指在輸入信號(hào)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)輸出信號(hào)中出現(xiàn)了輸入信號(hào)頻率的整數(shù)倍頻率成分(即諧波),這些諧波成分與原始信號(hào)疊加,導(dǎo)致輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不一致。高諧波可能導(dǎo)致干擾,如PA的二次諧波需抑制到-30 dBc以下。
(4) 三階交調(diào)點(diǎn)(IP3, Third-Order Intercept Point)
三階交調(diào)點(diǎn)(IP3)是衡量射頻和微波通信系統(tǒng)中非線性失真性能的重要參數(shù)。IP3是指在輸入雙音信號(hào)時(shí),基波信號(hào)的功率與三階交調(diào)失真產(chǎn)物的功率相等的點(diǎn).
輸入三階交調(diào)點(diǎn)(IIP3):表示在輸入端達(dá)到三階交調(diào)失真與基波功率相等時(shí)的輸入功率水平。
輸出三階交調(diào)點(diǎn)(OIP3):表示在輸出端達(dá)到三階交調(diào)失真與基波功率相等時(shí)的輸出功率水平。
№3,阻抗匹配相關(guān)指標(biāo)
(1) 駐波比(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)
電壓駐波比VSWR是指?jìng)鬏斁€中駐波的最大電壓與最小電壓之比。公式如下:
式中Γ為反射系數(shù)。
駐波比VSWR是衡量阻抗匹配質(zhì)量,VSWR=1表示完美匹配,典型系統(tǒng)要求VSWR<2。
(2) 回波損耗(Return Loss)
回波損耗RL是指反射功率與入射功率的比值(單位為dB)。公式如下:
在射頻系統(tǒng)中,回波損耗越大,反射越小。例如,天線回波損耗需大于10 dB。注意:電壓駐波比和回波損耗都是和反射系數(shù)相關(guān)的參量,表征系統(tǒng)的匹配程度,其關(guān)系如下
在射頻設(shè)計(jì)中,有幾個(gè)比較重要的值需要大家牢記
VSWR和回波損耗是衡量傳輸線匹配程度的兩個(gè)重要參數(shù)。VSWR越小,回波損耗越大,表示匹配越好,反射越少。在實(shí)際應(yīng)用中,這兩個(gè)參數(shù)可以幫助工程師優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高信號(hào)傳輸效率.
№4,頻譜與帶寬相關(guān)指標(biāo)
(1) 帶寬(Bandwidth)
帶寬是指射頻器件或系統(tǒng)能有效工作的頻率范圍。常見的器件帶寬有
瞬時(shí)帶寬IBW
占用帶寬OBW:指信號(hào)在頻譜中實(shí)際占用的帶寬,通常定義為包含信號(hào)總功率99%的頻譜帶寬。
OBW還可以表示系統(tǒng)的工作帶寬,全稱為Operation Bandwidth,指通信系統(tǒng)能夠正常工作的最大射頻頻段范圍。
注意:工作帶寬(OBW)≥ 瞬時(shí)帶寬(IBW)≥ 占用帶寬(OBW)
3 dB帶寬:增益下降3 dB時(shí)的頻率范圍。
(2) 鄰道泄漏比(ACLR, Adjacent Channel Leakage Ratio)
ACLR是指主信道功率與相鄰信道泄漏功率的比值(單位為dB),ACLR值越大,表示主信道對(duì)鄰道的干擾越小,信號(hào)的頻譜純度越好。我們還常用ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)來表示射頻系統(tǒng)主信道功率和相鄰信道功率的比值。ACLR和ACPR實(shí)際上表示的是同一個(gè)概念。ACLR通常用于基站設(shè)計(jì)中,評(píng)估基站發(fā)射信號(hào)對(duì)相鄰信道的干擾,而ACPR通常用于終端設(shè)計(jì)中,評(píng)估終端發(fā)射信號(hào)對(duì)相鄰信道的干擾。
№5,天線相關(guān)指標(biāo)
(1) 天線增益(Antenna Gain)
天線增益是指天線在特定方向的輻射強(qiáng)度與理想全向天線(dBi)或偶極子天線(dBd)的比值。通常高增益天線(如拋物面天線可達(dá)30 dBi)用于定向通信。
(2) 波束寬度(Beamwidth)
波束寬度是指天線主瓣輻射角度范圍(通常指3 dB波束寬度)。通常窄波束(如10°)用于遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,寬波束(如120°)用于覆蓋區(qū)域。
№6,系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)
(1) 靈敏度(Receiver Sensitivity)
靈敏度是指接收機(jī)能檢測(cè)到的最小信號(hào)功率(通常對(duì)應(yīng)特定誤碼率BER),單位是dBm。比如Wi-Fi接收靈敏度約為-90 dBm(對(duì)應(yīng)1 Mbps速率)。
(2) 動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)
動(dòng)態(tài)范圍是指系統(tǒng)能處理的最大信號(hào)與最小信號(hào)的功率差(單位為dB)在射頻系統(tǒng)中,寬動(dòng)態(tài)范圍(如100 dB)確保系統(tǒng)同時(shí)處理強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)。
總結(jié)
掌握射頻指標(biāo)是射頻設(shè)計(jì)的第一步,在射頻設(shè)計(jì)中,我們通常需要指標(biāo)之間的互相平衡,比如在低噪聲放大器LNA設(shè)計(jì)中,高增益和低噪聲系數(shù)有時(shí)候需要一個(gè)平衡,在射頻功放PA設(shè)計(jì)中,高效率和線性度又是一個(gè)矛盾體,需要平衡IP3和效率;寬帶寬可能也會(huì)引入更多的噪聲和非線性效應(yīng)。通常我們很難做到既要又要,找一個(gè)合理的平衡點(diǎn)很重要。