台湾中华大学-田庆诚教授-射频放大器-观看笔记 1

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分贝表示法

分贝有很多种。如果有一个功率值x，有一个参考功率值c，那么：

• dB：一个值的dB表示为：$10log(x)$，一般对于无量纲值使用（如增益），有量纲的值应该挺少用这种的
• dBm：叫做“分贝毫瓦”，定义为：$10log(\frac{x}{1mW})$，多用这种表征纯功率大小
• dBc：是相对功率，定义为：$10log(\frac{x}{c})$，反映功率相对关系

例：正弦信号，传输0dBm功率至50$\Omega$负载，负载电压峰峰值为632mV
解：0dBm也就是1mW，对于正弦信号峰峰值等于两倍幅值，所以$P=1mW=\frac{(V_{pp}/2\sqrt{2}{)}^2}{R_l}$就可算出$V_{pp}=632mV$

一种超外差式射频收发机

这是一个超外差式收发机的框图。

各模块功能

现在对其各个部分的功能进行简单介绍：

⑴ Antenna（天线） 两天线相隔$\frac{\lambda }{4}$或$\frac{\lambda }{2}$以上，降低同时受到干扰的概率。图中蓝色控制总线说明此功能受到基板baseband控制；
⑵ BPF（带通滤波器） 目的是滤出需要的频带；
⑶ TR-Switch（收发转换开关） 切换收发机的收发模式，也由基板baseband控制。本图中，单刀双掷开关向上为接收，向下为发射；
⑷ Power Amplifier（功率放大器） 功能包括功率控制、也可以关闭或开启，由基板baseband控制。PA和SW往往做在一起（我还不是很懂做在一起的意思）；
⑸ Low Noise Amplifier（低噪放） 往往坐在靠近天线的部分，减小传输线损，它在放大信号的同时也要产生较小的噪声和失真；
⑹ 这里的滤波器和②一起完成抑制噪声等功能；
⑺ Volt Control Oscillator（压控振荡器） 产生本振信号（主要是本振频率）；
⑻ Mixer（混频器） 将输入混频器的信号和VOC发出的本振信号进行混频，一般对于接收信号下混频得到中频信号，对发射信号上混频得到高频信号；
*⑼ Surface Acoustic Wave Filter（声表面波滤波器） 大致功能就是将声波机械波和电磁波进行转换。它能取代LC滤波器，将音像质量大幅提高（田教授讲的时候没怎么听明白，查出来是这个东西，好像有点出入，主要这玩意儿没接触过）；
⑽ Modulator/Demodulator（调制/解调器）
⑾ Baseband（基板） 基板通常可以是用于显影半导体或薄膜（厚膜或薄膜电路或组件）的绝缘材料，也可以是印刷电路板（PCBs）的结构材料。这些电绝缘材料是几乎所有射频/微波电子设备的基础；
⑿ MAC（） （应该是）联网相关的模块，完成网络管理任务；

其余的一些术语：

⑴ IF = Intermediate Frequency（中频） 一般是容易处理的信号，高频信号需要下混频成中频才好解调，中频信号要上混频成高频才好辐射
*⑵ I/Q（in-phase 表示同相 / quadrature 表示正交，与I相位差90度） 一般是模拟信号，主要用于射频信号调制解调（常见如BPSK、QPSK等）（感觉这个要了解一下）

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一个放大器设计大概要完成的步骤

*对于RF来说，匹配电阻基本上是50$\Omega$，CMOS中可能不会。
⑴ 选管：根据频带、功率、增益等选择晶体管
⑵ 设计输入输出匹配网络
⑶ 设计直流偏置（DC Bias）（老师举例说，如果一个直流偏置可以同时承担输入输出匹配网络的作用，那就省大钱了）

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一些参数

• Gain（增益） 放大器最基础的指标。
• Output P1dB（输出功率的1dB压缩点）
• Output IP3（输出三阶截断点）
• Noise Figure（噪声系数）
• Reverse Isolation（反向隔离度） 类比$S_{12}$，反向隔离度大，受到输出端反射的影响小。

显然肯定不止这么点东西，这里分析也肯定不全面。

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放大器的指标（包括详细介绍上一部分的某些参数）

• 功能（LNA低噪放，PA功放，DA=Driver Amplifier驱动放大器）
• 工作频带
• 温度范围（比如军工要求的温度范围大于民用要求的温度范围）
• Power Supply 电源管理（耐压、最大电流等）
• Gain 增益 $G(dB)=10log(\frac{P_{out}}{P_{in}})=S_{21}(dB)$
  同时增益有不同的条件，比如最大增益匹配、最小噪声匹配下的增益等等。
  功率也有一个线性范围，线性范围内被称为 “Small Signal Gain（小信号增益）”，非线性范围是 “Rated Signal Gain（额定功率增益）”
• Gain Flatness 增益平坦度
  尽量使不同频率下的增益保持相近。
• Return Loss 回波损耗 （$VSWR<2or{S}_{11}、S_{22}<-10dB$）
• Noise Figure 噪声系数 $NF(dB)=10log(\frac{S_i/N_i}{S_o/N_o})(dB)$
  一般频率越高、直流偏置越大，噪声越大
• Output P1dB 输出功率的1dB压缩点 在线性范围内，放大器输出功率随着输入功率线性增加。但随着输入功率继续增加，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率增加而线性增加——输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率定义为输出功率的1dB压缩点。如果这个值是+26dBm，就代表：当输入功率达到26分贝毫瓦时，输出功率比预期的要掉了1dB。它用来描述电路的线性度。
  （上述情况称为“增益压缩”，当然也有对应的“增益膨胀”，详见非线性影响部分）
• Output IP3 输出三阶截断点 放大器存在非线性效应，当输入两个频率接近（$f_1,f_2$）的功率信号时，他们的三阶交调信号（$2f_1-f_2$和$2f_2-f_1$）就会比较靠近原始频率（$f_1,f_2$)。
  对数坐标系中，$P_o(f_2)$和$P_i(f_2)$的关系曲线斜率是1，$P_o(2f_2-f_1)$与$P_i(f_2)$的关系曲线斜率是3，他们的交点定义为IP3，其中输出功率就是OIP3。
  IP3的含义：当输入功率达到IIP3时，有用信号的功率达到OIP3，三阶交调的功率也是OIP3，这种情况是输出信号最恶劣的情形。
• Harmonic Distortion 谐波扭曲 单位是(dBc)，是和基波(${\omega }_1$)的比值取对数得到的分贝值。不过这个值是这样定的：
  所以是越大越好，越大就代表谐波相对越小。

后面可能还有，但是这p讲完了，开摆！

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非线性影响

很不幸，放大器的输入输出曲线往往不是直的
那就写成这样一个函数形式：

$$V_{out}=K_0+K_1{V}_{in}+K_2{V}_{in}^2+...+K_n{V}_{in}^n+...$$

标红的地方是线性部分，蓝色的地方则是非线性部分。

往往只考虑到三次方，也就是：

V o u t = K 0 + K 1 V i n + K 2 V i n 2 + K 3 V i n 3 V_{out}=K_0+K_1V_{in}+K_2V_{in}^2+K_3V_{in}^3 Vout​=K