射频基础
无线通信（Wireless Communication），是指利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式，也称之为无线电通信。在我们日常生活中，无时无刻都在使用无线通信，例如移动电话，蓝牙，WiFi等，而这些无线通信的应用离不开射频技术。下图是无线电波及无线电通信频率与各波段的命名表
（注：图片来源于网络）
射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～300GHz之间。再看一张全球频率分布图。
（注：图片来源于网络）
频率分布图中不难看出通信频段均在射频范围之内，这无疑强调了射频技术的重要性。
要想了解射频基础知识，可以分为三部分来了解：
1、 影响参数
2、 元器件
3、 PCB布局
1、 影响因素
1.1功率
1.1.1 绝对功率
射频信号的绝对功率通常用dBm、 dBW表示，它与mW、 W的换算关系如下：
（注：图片来源于网络）
例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为：
例如： 1mW等于0dBm， 10mW等于10dBm， 50mW等于17dBm。
与绝对功率相关的参数：
a) 发射功率
b) 接收灵敏度
在了解接收灵敏度之前需要先了解BER/PER的概念，BER/PER是衡量数据/数据包在规定时间内数据传输精确性的指标，指在数据通信中一定时间内收到的数字信号中发生差错的量与同一时间所收到的数字信号的总量之比，称为误码率/误包率 。BER(Bit Error Ratio)与PER（Package Error Ratio）有个换算关系PER=1-(1-BER)^Package_length。
而接收灵敏度是指接收机在满足BER/PER指标的前提下，天线口能够接收到的最小接收信号电平，一般用dBm表示，反映了设备接收小信号的能力，灵敏度越高，覆盖范围越大。
1.1.2 相对功率
射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于： dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。
dB是一个表征相对值的值,纯粹的比值,只表示两个量的相对大小关系,没有单位,当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式:10log(甲功率/乙功率),如果采用两者的电压比计算,要用20log(甲电压/乙电压)。
[例] 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3dB。反之,如果甲的功率是乙的功率的一半,则甲的功率比乙的功率小3dB。
dBc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。
1.2频率及波长
交流信号中，频率参数和波长参数是相互对应的两个参数，它们之间是成反比的，换算公式如下：
λ·f=c
例如，在自由空间中，频率为2400MHz的信号对应的波长约等于12.5cm。
在频率方面还会有初始频偏的问题，初始频偏是指发送未调制载波下测得的频率与理论频率之间的差值，对我们的模块来说这个指标受PCB板间电容、晶振精度、晶振匹配电容等因素的影响。
基于我们常用的晶振精度是±10ppm，目前我们的产品给出的指标是：
1.3 回波损耗（RL）
回波损耗也是射频上用得比较多得一个名词，它和前面得反射系数、驻波比都是用来反映端口得匹配状况的。回波损耗表示端口的反射波的功率与入射波功率之比。回波损耗与反射系数的关系为：
RL = -20 lg ρ；（ρ为反射系数）
由公式可以计算：回波损耗为26dB时，对应的反射系数为0.05，驻波比为1.1。
由此也可以估计一下，驻波为2时的回波损耗是多少（9.5dB），也就可以理解对于功放后级的驻波要求为何严格。
1.4 驻波比（VSWR）
驻波系数是衡量射频电路中阻抗失配度的一个指标，常规很多驻波指标规定低于2.0。
VSWR ϵ [1， ∞）=1 表示全匹配
=∞ 表示全匹配
驻波比恶化意味着信号反射比较厉害，负载与传输线的匹配效果比较差，信号传输效果就变差。
驻波比与反射系数有如下换算关系
VSWR =（ρ+1）/（ρ-1）
由此不难看出，驻波比与回波损耗可通过反射系数进行换算。
1.5 杂散辐射
杂散辐射是指发信机在规定的发射频率范围之外的频段內发射信号之外的其他信号，包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。这些杂散辐射都会对其他的无线通信系统造成干扰。
2、 元器件
射频电路中最常用的两种元器件是电容和电感。
2.1 电容
电容在射频中的应用十分广泛，它可以用于滤波器的调频，匹配网络，晶体管偏置等很多电路中，因此，很有必要了解它们的高频特性。
下图为电容的高频等效电路图，其中L为引线间的寄生电感， R1为引线损耗的等效电阻， R2为介质损耗的等效电阻。
（注：图片来源于网络）
下图为电容器的阻抗的模与频率的关系，由于存在介质损耗和有限长的引线，其阻抗模随着频率的增加先减小后增大。
（注：图片来源于网络）
2.2 电感
电感的应用相对电容来说较少，他主要用于滤波和阻抗匹配网络中。电感通常是由导线在圆柱体上绕制而成，因此除了考虑电感本身的感性特性，还需要考虑导线间的电阻和相邻线圈之间的分布电容。电感的等效电路模型如下图所示， 寄生电容和串联电阻分别由分布电容和电阻带来的综合效应。
（注：图片来源于网络）
电感的高频特性同样与理想电感的预期特性不同，如下图所示：
（注：图片来源于网络）
首先，当频率接近谐振点时，高频电感的阻抗迅速提高；
第二，当频率继续提高时，寄生电容C的影响成为主要的，线圈阻抗逐渐降低。
从电容和电感的高频特性来看，在实际过程中不能与低频时的电路模型相提并论，应当按照高频等效电路和实际特性曲线规律来设计计算电路。
3、 PCB布局
3.1 天线部分
在使用带有贴片天线或PCB天线的模块时，天线正下方的主板上不能覆铜，否则会严重影响通信距离。如下图所示。
（注：图片来源于网络）
3.2 底板上RF部分走线
RF PCB layout是RF性能的关键，为了保证性能，其一下规则是需要明确的：
a） RF PCB layout需要用GND保护，以便用尽可能小的电流回路；
b） 必要的GND过孔；
c） 避免在RF线路上打过孔；
d） 避免线路出现分支；
如下图所示。
（注：图片来源于网络）
PCB叠层结构及布线模型：
（注：图片来源于网络）
除上述所需注意事项外，PCB布线时还有很多因素，例如电源VCC与GND的布线等，都需要认真考量。
以上是射频基础知识的一些概括，射频这门课还需要多多用功方能登堂入室，成为一代高手。
注：以上图片均来源于网络。
发表于 2018-12-6 15:52:17