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Jan 20, 2025
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2025-01-20-the-study-of-RF-components
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硬件
无线通信
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本篇笔记对无线射频电路中常用的各种元器件电路的基本工作原理和应用进行简单的总结，为后续理解和设计完整的射频电路系统架构打好基础。
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无线通信
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本篇笔记对无线射频电路中常用的各种元器件电路的基本工作原理和应用进行简单的总结，为后续理解和设计完整的射频电路系统架构打好基础。
下图是一个比较典型的、简单的射频系统的框图：
无线射频电路中所用到的各种主要的元器件，根据其是否有外部供电的方式，可以分为有源器件和无源器件两大类。
- 有源器件包括：射频收发芯片RF Transceiver，功率放大器PA，低噪声放大器LNA，射频前端模块FEM，有源晶振，射频开关等。
- 无源器件包括：滤波器Filter，双工器Duplexer，双迅器Diplexer，耦合器Coupler，电阻电容电感，天线，无源晶振等。
射频收发芯片RF Transceiver
RF Transceiver实际上包含了RF Transmitter和RF Receiver，也就是同时具备了射频信号接收和发射的功能。RF Transceiver是整个射频电路系统的核心，用于产生适合无线通信使用的高频RF信号。而所谓的射频系统架构本质上就是以射频收发芯片为核心，在其外围搭配一些其他的射频前端电路。
RF Transceiver具备的主要功能就是：
- 对于射频信号的发射而言：把基带调制信号进行上变频、频率合成，并进行信号的初步放大后产生射频信号，再经过PA的进一步放大，通过天线开关切换后由天线辐射出去。
- 对于射频信号的接收而言：从天线上接收到的射频信号，经过天线开关后在LNA中进行放大，送入射频收发芯片中进行下变频和滤波的操作，恢复出来基带调整信号，得到基带解调信号。
因此，从标准意义上讲，RF Transceiver与PA、LNA、射频开关等是分开的，各自具有各自的功能，但是现在在消费类电子中的集成度越来越高，很多射频收发芯片中实际上已经把PA、LNA以及射频开关这些都已经集成进去了，甚至在一些5G手机的射频收发芯片方案中连天线的合并进去了，这样射频电路的设计和调试就变得非常简单。
功率放大器PA
PA，就是Power Amplifier功率放大器。在射频电路中，PA的作用就是在射频的发射链路中，把RF Transceiver所产生的射频信号进行功率放大，使得通过天线发射出去的功率能够满足传输距离的要求。
从制造工艺的角度上，目前PA常用的工艺主要有四种：砷化镓GaAs，氮化镓GaN，锗化硅SiGe，以及CMOS。其中在射频功率放大器领域，砷化镓GaAs工艺占据主流位置。
具体的产品应用中，需要充分的认识到降低PA功耗的重要性，因为PA的功耗占据了射频电路功耗的大部分，多天线以及高通信速率的产品需求会导致PA的功耗对产品的整体功耗、使用续航时间乃至散热设计造成很大的影响。
低噪声放大器LNA
LNA，就是Low Noise Amplifier低噪声放大器。LNA的作用与PA类似，都是对射频信号的放大，只不过PA用于发射链路中，对要通过天线发射的射频信号进行功率放大，以确保信号的发射可以满足传输距离的要求；而LNA则用于接收链路中，对从天线上收到的射频信号（通常非常微弱）进行放大，满足射频信号解调的需求。
因为从天线收到的射频信号一般非常微弱，那么放大器本身运行所产生的噪声就有可能对这个微弱信号产品严重的干扰。而LNA里面的所谓Low Noise低噪声，就是指这种LNA放大器本身具有非常低的噪声系数（这一点是LNA最有特色的地方，噪声越低，灵敏度越高），这样在其对接收到的射频信号进行放大的时候，才能尽可能提升灵敏度和信噪比，从而帮助解调电路顺利解出基带信号。
射频前端模块FEM
FEM，就是Front End Module射频前端模块。FEM实际上就是在一个芯片中集成了多个射频单元电路的模块，例如，FEM中可以集成包含PA、LNA、滤波器、射频开关等，有些模块甚至把射频收发器和天线阵列都包含在内。FEM的存在主要是为了提升产品开发的集成度和轻便化的需求，也降低了射频调试和开发的复杂度和难度。
因为FEM本身只是多个射频单元电路的集成模块，所以它整体的功能及其性能指标就由其内部所包含的射频单元电路决定。
射频开关Switch
射频开关本质上就是一个开关，既可以用于判断和控制在同一频点上TX和RX分时接通天线，也可以用于控制不同频段的系统在RF链路中何时接通。所以，从逻辑上看，可以把这个这个器件认为是一个理想的开关器件，只不过用于射频电路中，一般称为射频开关，而如果用于控制天线端口的接通和切换，则称之为天线开关。
当然，与普通开关不同的是，对于射频开关而言，其工作在高频的射频领域，那么就有一些自己独特的工作参数：工作频率（这个开关器件适合允许的频率范围），各端口之间的隔离度（开关控制的多个通道之间的隔离程度，尽可能避免相互影响）、插入损耗（插入这个开关器件后对于信号功率的损耗，当然是越小越好）等。
双工器Diplexer/Duplexer
在[[对双频WiFi天线复用理解的纠正以及对Duplexer和Diplexer的比较]]一文中已经有非常详尽的解释了。
滤波器Filter
滤波器在射频电路和系统中的运用，包含发射和接收两个方面：
- 在接收方面，主要就是为了最大程度的衰减接收信号中所包含的那些不需要的频段中的信号，并且尽可能对需要的频段的信号造成最小的影响。
- 而在发射方面，则是用于尽可能减少和衰减发射器电路中所包含的谐波、杂散以及带外泄露，以避免对各种RF频段的通信造成相互之间的共存干扰。
滤波器具体的实现原理是基于R、L、C的谐振电路形成的二端口网络，利用谐振电路的选频特性对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带内频率信号失配而进行衰减，从而实现信号频谱过滤功能。
按照对信号频段的过滤特性进行分类，可以把滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器几种类型。
按照滤波器实现所使用的器件类型，可以把滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两种类型。在消费类电子中所使用的滤波器一般都是无源滤波器。
功率耦合器Coupler
功率耦合器是一种无源器件，在RF电路中从射频通路中通过耦合的方式分配出来一部分信号功率和能量，然后把这部分耦合出来的能量用于实现对该射频通路输出功率的检测以及反馈调整。从其起作用的原理上讲，功率耦合器一般用于发射通路，最典型的使用场景就是从功率放大器PA的输出电路中耦合出来一部分能量，对这部分能量进行检测后，通过反馈形式控制功率放大器的输出功率大小。因此，随着集成度越来越高，大部分功放PA实际上已经在其内部集成了功率耦合器来实现对其发射功率的反馈和控制，只有在一些非常特殊的应用中才需要独立外加耦合器。
下图是功率耦合器Coupler的等效电路图。一般是一个四端口的无源器件，功率放大器输出的功率通过输入端1接入，在输出端2输出。PA的能量除了通过输出端2进行输出以外，还有一部分能量通过耦合的方式在耦合端3输出，通关把这个耦合端输出的能量接入到射频收发芯片，就可以用于检测功率放大器的输出功率，然后对其进行调整和控制。输出端4是隔离端口，没有功率输出。
参考资料
- 无线秘籍：射频电路设计入门，第六章