Rf Engineering

射频工程 (RF Engineering)

射频电路设计、无线传播、测试测量与法规认证的工程参考。

1. 电磁波与传播

理论

Maxwell 方程组（简化形式）：

自由空间传播损耗（Friis 公式）：

$$P_{rx} = P_{tx} + G_{tx} + G_{rx} - L_{fs}$$

$$L_{fs} (dB) = 20\log_{10}(d) + 20\log_{10}(f) + 32.44 \quad (d \text{ in km}, f \text{ in MHz})$$

或国际单位制：

$$L_{fs} (dB) = 20\log_{10}\left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right)$$

多径衰落模型：

大尺度衰落（路径损耗模型）：

• Okumura-Hata（150-1500MHz，1-20km）: $L_u = 69.55 + 26.16\log f - 13.82\log h_b - a(h_m) + (44.9-6.55\log h_b)\log d$
  • 中小城市: $a(h_m) = (1.1\log f - 0.7)h_m - (1.56\log f - 0.8)$
• COST-231 Hata（扩展至 2GHz）: 在 Hata 基础上 + $C_m$（城市 3dB）

小尺度衰落：

• 多普勒扩展: $f_d = v f_c / c$，相干时间 $T_c \approx 0.423/f_d$
• 时延扩展: 功率延迟分布 PDP 的 RMS 值 $\sigma_\tau$，相干带宽 $B_c \approx 1/(5\sigma_\tau)$
• 平坦衰落 vs 频率选择性衰落: 信号带宽 $B_s$ vs $B_c$

穿透损耗（典型值）：

绕射损耗: 刃形绕射近似 $J(v)$，$v = h\sqrt{2(d_1+d_2)/(\lambda d_1 d_2)}$

方法

• 链路预算分析: $P_{rx} = P_{tx} + G_{tx} + G_{rx} - L_{path} - L_{misc} - M_{fade}$
• 阴影衰落余量: 对数正态分布，标准差 6-10dB（室外），8-12dB（室内）
• 多径建模: 信道冲激响应 $h(t,\tau) = \sum_i a_i e^{j\theta_i} \delta(t - \tau_i)$
• Rayleigh/Rician 仿真: Clarke/Jakes 模型

工具

• 传播预测: ITM (Irregular Terrain Model)、Free space path loss calculator
• 信道仿真: MATLAB Communications Toolbox、Python scipy.stats（Rayleigh/Rician）
• 3D 射线追踪: Remcom Wireless InSite、AWR AXIEM
• 简易计算: $L_{fs} = 32.44 + 20\log_{10}(f_{MHz}) + 20\log_{10}(d_{km})$

标准

• ITU-R P.1411: 短距离室外传播
• ITU-R P.2040: 建筑材料穿透损耗
• ITU-R P.526: 绕射传播
• 3GPP TR 36.873: 信道模型

应用

• Sub-GHz IoT 链路预算（LoRa: +14dBm, 433MHz, 10km）
• Wi-Fi 室内覆盖规划（AP 部署间距、穿墙余量）
• 5G NR 覆盖与容量仿真
• 室内分布系统（DAS）设计

2. 射频电路基础

理论

功率单位换算：

$$P_{dBm} = 10\log_{10}(P_{mW})$$ $$P_{dB\mu V} = P_{dBm} + 107 \quad (\text{在 50Ω 系统中})$$ $$P_{dBu} = P_{dBm} + 107 - 20\log_{10}(f_{MHz})$$

阻抗匹配（L型网络）：

给定负载 $Z_L = R_L + jX_L$ 匹配到 $Z_0 = R_0$：

$L$型（低通）: 串联电感 + 并联电容 $L$型（高通）: 串联电容 + 并联电感 $\pi$型: 两个并联支路 + 一个串联支路（Q值更高，带宽更窄） $T$型: 两个串联支路 + 一个并联支路

Smith 圆图: 等电阻圆 + 等电抗圆，Q值圆，等 VSWR 圈

S 参数：

$$ \begin{bmatrix} b_1 \ b_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} S_{11} & S_{12} \ S_{21} & S_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1 \ a_2 \end{bmatrix} $$

• $S_{11}$: 端口1反射系数（回波损耗 $RL = -20\log|S_{11}|$ dB）
• $S_{21}$: 正向传输（插入增益/损耗）
• $S_{12}$: 反向传输（隔离度）
• $S_{22}$: 端口2反射系数

稳定性判据：

Rollett 稳定条件（无条件稳定）: $$K = \frac{1 - |S_{11}|^2 - |S_{22}|^2 + |\Delta|^2}{2|S_{12}S_{21}|} > 1$$ $$|\Delta| = |S_{11}S_{22} - S_{12}S_{21}| < 1$$

噪声：

$$NF (dB) = 10\log_{10}(F), \quad F = \frac{SNR_{in}}{SNR_{out}}$$

级联噪声系数（Friis 公式）: $$F_{total} = F_1 + \frac{F_2 - 1}{G_1} + \frac{F_3 - 1}{G_1 G_2} + \cdots$$

噪声温度: $T_e = T_0(F - 1)$，其中 $T_0 = 290K$

线性度：

• 1dB 压缩点 (P1dB): 增益下降 1dB 时的输入/输出功率
• 三阶交调 (IMD3): $f_1, f_2 \rightarrow 2f_1 - f_2, 2f_2 - f_1$
• IIP3/OIP3: $OIP3 \approx P_{out} + \frac{\Delta P}{2}$（其中 $\Delta P$ 为基波与 IMD3 的功率差）
• SFDR (无杂散动态范围): $SFDR \approx \frac{2}{3}(IIP3 - N_{floor})$

方法

• 阻抗匹配设计: Smith Chart 图解法 → 解析公式验证 → 仿真优化
• 稳定性设计: 在输入/输出端加电阻/铁氧体 bead
• 增益/噪声优化: 同时匹配法 vs 单向化法，LNA 用噪声圆匹配
• 线性度改善: 输出功率回退 10dB → IMD3 改善约 20dB
• 交调分析: 双音测试 → 频谱仪读基波与三阶产物功率差

工具

• Smith Chart: 免费 online 工具、Keysight ADS Smith Chart Utility
• 电路仿真: Keysight ADS / PathWave、AWR Microwave Office、Ansys HFSS
• 开源: Qucs、GNU Radio + PyRF
• Python: scikit-rf（S 参数处理、Smith Chart 绘制）

标准

• IEEE 145-1983: VSWR 定义
• IEC 61300-3-4: 光纤器件回波损耗测量

应用

• LNA 输入匹配（噪声最优 vs 功率最优折中）
• PA 输出匹配（效率 vs 线性度折中，Doherty/ET 架构）
• 滤波器/天线端口匹配调试
• 接收机链路 NF 分配与 IIP3 预算

3. 射频组件

理论

滤波器

滤波器响应: Butterworth（最平坦）、Chebyshev（等纹波）、Elliptic（最陡峭）、Bessel（线性相位）

放大器

• LNA: 最低噪声优先，$NF_{min}$、$G_{max}$、IIP3、OIP1dB
• PA: 效率（PAE = $(P_{out}-P_{in})/P_{DC}$）与线性度权衡
  • Class A: 50% 理论效率，最线性
  • Class AB: 60-78%，常用于手持设备
  • Class D/E/F: >80%，开关型，需谐波滤波
  • Doherty: 宽范围效率提升
• VGA: 增益可调范围 20-60dB，步进 0.5-2dB

混频器

• 上下变频: $f_{IF} = |f_{RF} \pm f_{LO}|$
• 镜像抑制混频器 (IRM): I/Q 两路混频 + 90° 移相，抑制镜像 20-35dB
• 关键指标: 变频损耗/增益、隔离度、LO-RF 泄漏、IIP3

振荡器与 PLL

PLL（锁相环）:

• 环路带宽: 相位噪声低频段跟随 VCO，高频段跟随参考源
• 相位噪声: $L(f) = S_\phi(f)/2$，单位 dBc/Hz
• 整数分频: 信道步进 = 参考频率 $f_{ref}$
• 小数分频: $\Sigma-\Delta$ 调制，细步进但引入分数杂散

开关

• PIN 二极管: 高功率（1-100W），切换速度 10-100ns
• GaAs FET: 低功耗，切换速度 1-10ns
• SOI/CMOS: 低压集成，趋势方向

天线

功率分配/合成

• Wilkinson 功分器: 等分/不等分，隔离度 >20dB，1/4λ 变换线 + 100Ω 电阻
• Lange 耦合器: 宽带 90° 耦合，3dB 耦合比

方法

• 滤波器设计: 查表归一化低通原型 → 频率变换 → 元件值计算 → 仿真优化
• LNA 设计: 噪声圆 + 稳定圆 → 选最佳反射系数 → 匹配网络
• PA 设计: 负载牵引 (Load-Pull) → 等功率/等效率圆 → 输出匹配
• PLL 设计: 环路滤波器参数计算（相位裕度 45-60°）
• 天线仿真: 数值方法（MoM/FEM/FDTD）

工具

• 滤波器设计: Nuhertz Filter Solutions、AADE Filter Design（免费）
• PLL 设计: ADIsimPLL（免费）、PLLatinum Sim
• 天线仿真: CST Microwave Studio、HFSS、4NEC2（免费）
• 射频前端仿真: Keysight Genesys、AWR Microwave Office

标准

• MIL-STD-188-124B: 天线标准
• ETSI EN 300 328: 2.4GHz 设备
• IEEE 802.15.4: Sub-GHz/WiFi/BLE 物理层

应用

• Sub-GHz 无线模块前端（SAW + LNA + PA + Switch）
• Wi-Fi 6E 前端模块 (FEM)
• 5G NR n77/n78/n79 滤波器组
• 汽车雷达 77GHz 天线阵列

4. PCB 射频设计

理论

阻抗控制（微带线 Microstrip）：

$$Z_0 \approx \frac{87}{\sqrt{\varepsilon_r + 1.41}} \ln\left(\frac{5.98h}{0.8w + t}\right)$$

• $h$: 介质厚度, $w$: 走线宽度, $t$: 铜厚, $\varepsilon_r$: 介电常数
• 有效介电常数: $\varepsilon_{eff} \approx \frac{\varepsilon_r + 1}{2} + \frac{\varepsilon_r - 1}{2}\frac{1}{\sqrt{1 + 12h/w}}$

带状线 (Stripline):

$$Z_0 \approx \frac{60}{\sqrt{\varepsilon_r}} \ln\left(\frac{4b}{\pi(0.67w + t)}\right) \quad \text{(对称)}$$

共面波导 (CPW):

中心导带 + 两侧地平面，适合高密度集成，减少过孔寄生。

常用介质材料：

方法

• 层叠设计:
  • 4层: Top(RF信号) / GND / PWR / Bottom(控制信号)
  • 6层: Top(RF) / GND1 / Inner1(数字) / Inner2(数字) / GND2 / Bottom(电源)
  • 关键: 射频走线下方完整地平面，层间距离对称
• 接地: 射频区完整地铜皮，过孔间距 ≤ λ/20，分割地用桥接电容
• 隔离: 射频区与数字区物理分隔，电源滤波（π型 LC），金属屏蔽罩
• 过孔: 射频过孔寄生电感 ~0.5nH，背钻减少 stub

工具

• 阻抗计算: Saturn PCB Toolkit（免费）、KiCad 内置计算器、Polar Si9000
• PCB 设计: Altium Designer、KiCad、Cadence Allegro
• SI 仿真: HyperLynx、ADS Momentum、CST
• 有限元: HFSS、CST Microwave Studio

标准

• IPC-2141A: 高速/高频 PCB 设计
• IPC-6012: 刚性 PCB 规范
• IEC 61188-5: PCB 设计信号完整性

应用

• 2.4GHz/5GHz Wi-Fi 模块 PCB 布局
• Sub-GHz 收发器射频前端
• 汽车雷达 77GHz 层叠设计
• 射频开关矩阵板

5. 测试测量

理论

频谱分析仪关键参数：

• RBW (分辨率带宽): 越小频率分辨率越高，扫描时间越长。RBW 缩小 10 倍 → 噪底降低 10dB
• VBW (视频带宽): 平滑噪声起伏，VBW < RBW 时平均效果明显
• 检波器模式: Peak（峰值）、Average（均值）、RMS、Quasi-peak（EMC 用）
• DANL (显示平均噪声电平): 本底噪声，典型 -150~-165dBm/Hz
• 相位噪声: 偏移载波 f 处的噪声功率密度

矢量网络分析仪 (VNA)：

• 测量 S 参数全矩阵（S11/S21/S12/S22）
• 时域反射 (TDR): 通过 IFFT 将频域 S11 转为时域阻抗分布
• 校准: SOL（Short-Open-Load）、TRL（Thru-Reflect-Line）

信号发生器:

• CW（连续波）、AM/FM/PM 调制、I/Q 矢量调制
• 扫频、功率扫描

方法

• 回波损耗测量: VNA → 校准 → 测 S11 → 检查 < -10dB（VSWR < 2:1）
• 插入损耗测量: VNA → 测 S21 → 2-port thru 校准
• 增益压缩: 信号源 + 频谱仪 → 功率扫描 → 找 -1dB 点
• IMD3 测量: 双音信号 → 频谱仪读基波与 3 阶交调产物
• 相位噪声: 频谱仪相位噪声模式或专用相位噪声分析仪
• 近场 EMI 排查: 近场探头 + 频谱仪 → 定位干扰源（时钟谐波、电源纹波）
• OTA 测试: 暗室 + 标准天线 → 测 TRP/TIS/EIRP

工具

• 频谱仪: Keysight N9030B (PXAI)、R&S FSW、Tektronix RSA 系列
• VNA: Keysight PNA 系列、R&S ZNB、Copper Mountain
• 信号源: Keysight E8257D、R&S SMA100B
• 近场探头: Beehive、Langer EMV、Com-Power
• 功率计: Keysight N1914A（热电偶/二极管检波）
• 免费工具: Python + pyrtlsdr (SDR)、GNU Radio

标准

• CISPR 16-1-1: EMC 测量接收机规范
• ANSI C63.4: 美国 EMC 测量方法
• 3GPP TS 38.521: 5G NR UE 射频测试

应用

• 天线端口 VSWR 调试
• 接收机灵敏度与动态范围测试
• EMI 预认证排查
• 产线射频校准

6. 法规认证

理论

主要认证体系：

SAR (比吸收率): $$SAR = \frac{\sigma |E|^2}{\rho} = \frac{C \Delta T}{\Delta t}$$

• 美国 FCC: ≤ 1.6W/kg (1g 均方)
• 欧洲 EN: ≤ 2.0W/kg (10g 均方)

EMC 发射限值（CISPR 32 / FCC Part 15）：

• 辐射发射: 30MHz-1GHz，准峰值检波
• 传导发射: 150kHz-30MHz，LISN 测量
• 谐波发射: IEC 61000-3-2
• 闪烁: IEC 61000-3-3

方法

• 预认证测试: 3m 半电波暗室（预扫）→ GTEM cell → 近场探排查
• EMC 整改: 屏蔽、滤波、接地、布局优化
• SAR 仿真: SEMCAD X、Sim4Life（头部/身体模型）
• 认证流程: 样机 → 预测试 → 整改 → 正式测试 → 报告 → 获证

工具

• EMC 暗室: 3m/10m 半电波暗室 (SAC)
• GTEM cell: 小设备快速预测试
• LISN: 传导发射测量
• SAR 测试系统: DASY（SPEAG）
• 仿真: CST Studio Suite（EMC + SAR）

标准

• FCC Part 15.247: 跳频/DSSS 2.4GHz
• FCC Part 15.249: 2.4GHz 通用
• FCC Part 15.209: 杂散发射限值
• ETSI EN 300 328: 2.4GHz
• ETSI EN 301 893: 5GHz
• ETSI EN 300 220: Sub-GHz
• YD/T 1484-2006 (SRRC): 中国无线电设备

应用

• Sub-GHz 模块 SRRC 核准
• Wi-Fi 产品 FCC/CE 认证
• 5G 手机 SAR 测试
• 车载电子产品 EMC 认证

7. 常用频段

理论

ISM 频段：

蜂窝频段：

方法

• 频段选择: 覆盖距离 vs 数据速率 vs 穿透能力 权衡
• 干扰分析: 频谱仪扫描 → 同频/邻频干扰评估
• 信道规划: 蜂窝复用、Wi-Fi 信道分配（1/6/11）

工具

• 频谱管理: ITU 频率数据库
• 在线查询: 频谱地图、各国频率分配表
• SDR: HackRF/BladeRF/USRP → 实时频谱监测

标准

• ITU Radio Regulations: 全球频率分配
• 3GPP TS 36.101/38.101: LTE/NR UE 射频要求

应用

• IoT 设备频段选型（LoRa 433/868/915MHz）
• Wi-Fi 频道规划（2.4GHz 1/6/11，5GHz DFS 信道）
• 5G 基站部署频段选择
• 雷达频段分配（24GHz ISM → 77GHz automotive）

8. 常用公式速查

功率与电压

$$dBm = 10\log(P_{mW})$$ $$V_{rms} = \sqrt{P \times Z}$$ $$V_{rms}(dB\mu V) = P(dBm) + 107 \quad (Z=50\Omega)$$

VSWR 与回波损耗

$$\Gamma = \frac{VSWR - 1}{VSWR + 1}$$ $$RL (dB) = -20\log|\Gamma|$$ $$VSWR = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}$$

| VSWR | RL (dB) | |Γ| | 功率反射% | |------|---------|-----|-----------| | 1.0 | ∞ | 0 | 0% | | 1.5 | -13.98 | 0.20 | 4% | | 2.0 | -9.54 | 0.33 | 11% | | 3.0 | -6.02 | 0.50 | 25% |

噪声

$$NF_{total} = NF_1 + \frac{NF_2-1}{G_1} + \frac{NF_3-1}{G_1 G_2}$$ $$SNR_{dB} = P_{sig,dBm} - (-174 + 10\log(B_{Hz}) + NF_{dB})$$

传播

$$L_{fs} (dB) = 32.44 + 20\log(f_{MHz}) + 20\log(d_{km})$$ $$\lambda (m) = \frac{300}{f_{MHz}}$$