射频电路设计入门（硬件射频工程师）

射频电路设计入门（硬件射频工程师）举个简单的例子，Wifi在发送通道上一般会用低通滤波器。它会在WiFi工作的频段呈现很低的插入损耗，在高频段呈现较大的衰减，这样wifi的二次三次等高次谐波会大大的降低，从而满足很多认证的要求。当然有时候他也会加上带通滤波器，这样不但有高通滤波器的作用，也可以滤除那些芯片内部的低频信号。这就要根据具体的情况来决定所使用的的方案了。天线按不同的分法可以有很多种，我们这里不多做介绍。这里根据它与电路板的连接方式区分：PCB天线，SMD陶瓷天线，SMA天线（只要通过SMA和控制板连接的天线）， IPX-E接口的FPC天线，还有一些直接焊在电路板上的定制天线。天线的性能指标我们要搞清楚的是他的max gain，因为我们在做各种认证的时候（FCC IC，CE等）是要根据这个指标确定我们的发送功率的，同时这个天线参数也是要登录在案的。对于发送通路来说，会用到的射频器件包括，射频IC，巴伦（Balun）

我们处在一个信息化的时代，承载信息的就是无线射频技术。射频无处不在，而能实现射频性能定离不开射频器件的作用。作为一个硬件工程师，那么你了解射频器件么？你知道哪些射频器件? 射频器件的应用有哪些需要注意的地方？下面就探讨一下射频器件相关的话题。

通信无所不在

无线通信系统中，一般包含有天线、射频前端、射频收发模块以及基带信号处理器四个部分。

按照功能，一般来说都是具有发送和接收两个部分。当然也有比较特殊的，比如GPS 比如Wifi sniff等，他们只具有接收部分。

对于发送通路来说，会用到的射频器件包括，射频IC，巴伦（Balun） 功率放大器（PA），滤波器(Filter)，射频开关（RF switch） 双工器（duplexer），天线。

对于接收通路来说，会用到的射频器件包括，天线，双工器，射频开关，滤波器，低噪声放大器(LNA)，巴伦（Balun）。

一般来说，天线，双工器，射频开关，滤波器无论是发送还是接收通路都会用到。

• 天线是无线通信必不可少的射频器件。它是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件，一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

天线按不同的分法可以有很多种，我们这里不多做介绍。这里根据它与电路板的连接方式区分：PCB天线，SMD陶瓷天线，SMA天线（只要通过SMA和控制板连接的天线）， IPX-E接口的FPC天线，还有一些直接焊在电路板上的定制天线。天线的性能指标我们要搞清楚的是他的max gain，因为我们在做各种认证的时候（FCC IC，CE等）是要根据这个指标确定我们的发送功率的，同时这个天线参数也是要登录在案的。

• 滤波器（Filter），是射频前端中极为重要的分立器件。它能够实现信号中有用频率通过而极大衰减其他频率成分，从而提高信号的抗干扰性及信噪比。滤波器可以分为高通滤波器，低通滤波器和带通滤波器。顾名思义，高通滤波器是在某个频点一下呈现很大的衰减，而在那个频点以上的插入损耗很小；一次类推，就可以大致知道低通和带通滤波器的功能了。

举个简单的例子，Wifi在发送通道上一般会用低通滤波器。它会在WiFi工作的频段呈现很低的插入损耗，在高频段呈现较大的衰减，这样wifi的二次三次等高次谐波会大大的降低，从而满足很多认证的要求。当然有时候他也会加上带通滤波器，这样不但有高通滤波器的作用，也可以滤除那些芯片内部的低频信号。这就要根据具体的情况来决定所使用的的方案了。

从制造工艺来说，滤波器还可以分为声表面波滤波器（Surface Acoustic Wave，SAW）和体声波滤波器（Bulk Acoustic Wave，BAW）两大类。其中SAW滤波器制作工艺简单，性价比高，主要应用于GHz以下的低频滤波，而BAW滤波器插损低，性能优秀，可以适用于高频滤波，但工艺复杂，价格较高。

• 巴伦（balun）一种三端口器件，或者说是一种通过将匹配输入转换为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接的宽带射频传输线变压器。当然balun也可以通过LC电路来实现。

LC balun

• 射频开关（RF switch）一般来说可以用在两种TX的切换，也可以用在TX和RX之间的切换。比如工作频段同为2.4G的wifi 和BT的发送的切换，就可以用到RF switch。

射频开关的控制信号一般来说有单端和差分的区别，速度要求较快的RFswitch一般都是用差分来实现。同时射频开关的低功耗也是使用是要加以考虑的因素，当你选择一款射频开关的时候，一定要看开关的静态电流是多少。

• 双工器（duplex）由两组不同频率的带阻滤波器组成。利用高通、低通或带通滤波器的分频功能，使得同一天线或传输线可对两条信号路径进行使用，从而实现同一天线对两种多种不同频率信号的接收和发送。这个器件应用非常普遍，比如wifi的2.4G和5G共用一个天线的时候就要用到这个dulplexer以实现一根天线，可以把不同的射频信号传给不同通路的功能。
• 低噪声放大器（LNA）是噪声系数很小的放大器，功能是把天线接收到的微弱射频信号放大，并尽量减少噪声的引入，LNA能够能有效提高接收机的接收灵敏度， 进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好， 关系到整个通信系统的通信质量。它的最主要的一个指标是NF（Noise figure），这个值越小越好。
• 功率放大器（PA，Power Amplifier）是起到放大小信号的功率器件。功率放大器的指标很大程度关系到了整个发送信号的质量。我们经常要关注到它的放大倍数，同时也要关注的饱和点，谐波等等。现在WiFi，BT的集成度已经高了，PA LNA都已经集成在了射频芯片内部，所以在这种射频设计中是不需要他们了。但是在一些高功率的场合还是会用到他们，尤其是在基站，大的网关等等。同时随着半导体材料的不断发展，功率放大器也经历了CMOS、GaAs、GaN三大技术路线。第一代半导体材料是CMOS，技术成熟且产能稳定。第二代半导体材料主要使用GaAs或SiGe，有较高的击穿电压，可用于高功率、高频器件应用。第三代半导体材料GaN在性能上显著强亍GaAs，但成本较高。目前移动端民用市场主要采用GaAs 作为功放，而GaN在部分基站端应用率先实现替代。未来GaN将成为高射频、大功耗应用的主要方案。

一般来说射频器件的输入和输出阻抗都是50ohm的，这样比较容易实现射频之间的阻抗匹配，便于设计和调试。当然也要特殊的，比如说很多的LNA，它的输入端常常要接一个电感后，才是50ohm的阻抗。

随着电子产品的集成度越来愈高，射频种类也愈来愈多，所以怎么避免他们之间的干扰也成为硬件射频工程师要考虑的问题。用屏蔽罩来隔绝他们是一个有效的方法。集成商们为了减小设计难度和开发周期，他们越来越多地采用模块化的射频器件。总之，射频器件在硬件设计和调试中是个重点和难点，如何把它设计好是非常考验硬件工程师的能力和经验的。