3.1 什么是射频
理论定义
射频是一种高频电磁波,如同可见光、红外线一样,属于一定频率范围内的电磁波。无线通信电子设备以电磁波的形式通过天线以一定的频率发射到空中,或者从空中接收电磁波,达到传递信息和通信的目的。
图3-1形象地展示了生活中接触到的电磁波,以及对应的波长、不同频率范围内的特征。
图3-1 生活中的电磁波
如前所述,任何无线通信系统都被划分到专属的频段(Operating Band),这个频段就是占据一定频率范围的频谱。广义上来讲,国际上把频率范围在3 kHz~300 GHz的频谱称为射频(Radio Frequency,RF)。实际上射频并不存在一个严格意义上的精确界限,通常在几十兆赫兹(MHz)和几吉赫兹(GHz)之间,再高的频率又被称为“微波”。随着无线通信技术的巨大发展,射频和微波的界限已经越来越不清晰了。比如,802.11ad采用高达60 GHz的频段,而将要到来的5G,已经把频率扩展到了86 GHz,相信在5G时代“微波”的说法或许更加模糊。
传统的经典教材里罗列了各种频段,如低频、中频、高频、甚高频、超高频,以及L、S、C、X、Ku、Ka、V频段,这里不再具体列出了;因为对于消费电子产品来说,这些概念几乎没有任何意义。消费电子产品中无线通信的频段,通常由前面提到的联合国下属的ITU组织来划分;在我国,由工业和信息化部无线电管理局(SRRC)来划分。
工程实践
从信号的角度考虑,射频是一种高频模拟信号;从电路板的角度考虑,射频就是处理高频模拟信号发射和接收的相关电路;从天线的角度考虑,射频就是高频变化的电磁场。
从数字电路、低频模拟电路、射频电路的区别来讲,数字电路的目的是传输和处理信号的状态,也就是“0”和“1”代表的低电平状态和高电平状态。数字电路通常是高阻抗、低电流(μA级)电路。数字电路的衡量指标是数字波形、重复频率、电平、上升和下降时间、稳定性等。数字电路的测量是在时域进行的,常用的测试仪器是示波器、逻辑分析仪,以及一些专业的数字信号分析仪。
低频模拟电路的目的是传输电压、电流和波形。低频模拟电路的衡量指标主要基于电压、电流、波形的测试,如电压峰值、有效值、平均值,电流峰值、平均值,波形周期、频率、幅度等。低频模拟信号的测量也是在时域进行的,常用的测试仪器有示波器和万用表。
射频电路的主要目的是传输和处理信号的功率。从发射端来讲,发射设备的信号需要通过无线方式传输很远的距离,从而让远处的接收设备接收,因此必须保证足够大的功率才能传输足够远的距离。从接收端来讲,接收设备接收到的信号必须远远高于噪声信号才能正确地被解调出来,因此接收信号也需要相对较高的功率。射频电路的特点是低阻抗(大部分典型阻抗是50 Ω)、高电流(mA级)。电路的衡量指标是功率、频谱宽度、噪声、非线性等。射频电路的测量是在频域进行的,常用的测试仪器是频谱分析仪、网络分析仪和专用测试仪器。
示例
以iPhone6 Plus手机为例,整个手机的硬件被划分为射频(RF)电路和基带(Baseband)电路两部分(“基带”和“射频”是一对相对的称谓)。
射频电路:2G、3G、4G的信号属于高频模拟信号,因此其收发信机电路、射频前端电路[功率放大器(PA)、射频开关(Switch)、声表面波滤波器(SAW Filter)、双工器(Duplexer)、功率耦合器(Coupler)]属于射频电路。WiFi、蓝牙(Bluetooth)、GPS导航信号等也是高频模拟信号,因此这些也是射频电路。
基带电路:CPU(各种数字和低频模拟)、MODEM(低频模拟和数字)、PMU(低频模拟)、DDR(数字)、EMMC(数字)、LCD(数字)、按键电路(数字)、各种传感器电路(低频模拟和数字)、摄像头电路(低频模拟和数字)、音频电路(低频模拟和数字),以及各种接口(数字和模拟)电路。
图3-2中标示的方框内均为射频电路,用以实现2G、3G、4G、Wi-Fi、BT、GPS、NFC信号发送或接收功能,它们都是处理“高频模拟信号”的电路。
以小米路由器HD版和Pro版为例,路由器整个硬件同样被分为两大部分:射频电路和基带电路。图3-3所示为小米路由器电路板图。
图3-2 iPhone6 Plus手机主板
图3-3 小米路由器电路板
射频电路:Wi-Fi信号属于高频(2.4 GHz或5 GHz)模拟信号(各种调制后的信号),所以凡是和Wi-Fi信号直接相关的电路都属于射频(RF)范畴,比如路由器收发信机电路部分、射频前端电路[PA、Switch、射频滤波器(Filter)、双讯器(Diplexer)、低噪声放大器(LNA)],以及用于辐射电磁波的天线(Antenna,一些电路图常用ANT代指天线)。
基带电路:路由器中低频模拟信号以及数字信号都属于基带电路,比如CPU电路(涉及各种数字电路和低频模拟电路)、DDR电路(数字)、FLASH电路(数字)、电源电路(模拟低频)、物理层接口芯片(PHY)等。
在图3-3中,分别画出了射频电路和基带电路所在的位置。
通过上面两个例子就可以理解,射频就是这些工作频率很高的模拟信号,射频工程师的职责就是通过对电路的设计、调试和测试,保证这些射频信号满足相关组织和国家的规范,实现信号的良好发射和接收,最终实现高质量的无线通信。
实战小锦囊
学习射频,从认识频率开始:忘记“时域”,专注“频域”,射频就是和频率打交道,所有信号的处理、测量都是建立在频率的基础上的,实际工作中大都以频域的“频率”为基础,尽量忘记时域的“周期”或“波长”(天线除外,上面列出波长的目的是为了兼顾天线知识)。