混频器、放大器和振荡器RF术语

这篇学习材料介绍并定义了在混频器、放大器和振荡器的数据资料中用到的RF术语。文中介绍的术语包括增益、变频增益、相位噪声、三阶截取点、P1dB、插入损耗、输出功率、调谐增益和调谐范围，文中还给出了图形和图像以阐明关键的概念。

这篇学习材料解释了一些在无线IC数据资料中出现的通用规范。这些规范都是与放大器、混频器和振荡器有关的。放大器和混频器的规范是基本相同的，只有很少的例外。压控振荡器(VCO)有一套单独的规范。

图1. 放大器、混频器和VCO组成了一个简单的无线接收机

放大器和混频器的通用规范增益是无线组成部件(例如放大器或混频器)中电压或功率的增加。在数据资料中增益的规范几乎都是以dB为单位给出的。这三个术语：增益、电压增益和功率增益通常是可以互换的。因为当输入和输出阻抗相同时以dB为单位的电压增益和功率增益的数值是相同的。例如，20dB增益等于10V/V的电压增益，10V/V的电压增益又等于100W/W的功率增益，这也是20dB。电压增益和功率增益以线性尺度衡量是不同的，但是以dB为单位是相同的，因此这些术语可以互换而不会造成混乱。

变频增益是混频器或频率变换器件的规范。它被称作变频增益是因为输入和输出的频率是不同的。输入信号被混频变换到更低或更高的频率。

插入损耗或衰减也是一个增益的规范，只是输出值比输入值有所降低。也就是说，输出信号的幅度小于输入信号。

输出功率是可得到的驱动一个一般为50的负载的RF功率总量。通常以dBm表示。dBm是以dB表示的毫瓦的数量。例如，250mW等于10  log10(250)= +24dBm。
这里有几个以dBm表示功率的例子，假设阻抗为50：

+30dBm = 1W = 7.1VRMS
0dBm = 1mW = 0.225VRMS
-100dBm = 0.1pW = 2.25µVRMS

1dB压缩点(P1dB)是输出功率的性能参数。压缩点越高意味着输出功率越高。P1dB是指与在很低的功率时相比增益减少1dB时的输入(或输出)功率点。参见图2，增益随输入功率变化的曲线。注意当输入功率升高时增益是如何下降的。这是因为在其最大输出功率时器件达到饱和于是功率不能继续上升。1dB压缩点可以在输入或输出定义。例如，如果输出P1dB规范是+20dBm，则这个元件的输出功率约为+20dBm。减小输出功率使之低于P1dB将减小失真。

图2. 元件(放大器或混频器)增益随输入功率变化的曲线。由于输出达到饱和，增益在输出功率较高时将会下降。

三阶截取点(IP3)是表示线性度或失真性能的参数。IP3越高表示线性度越好和更少的失真。IP3通常用两个输入音频测试。图3所示为双音频IP3测试在频域的情况。放大器的输入是两个正弦波(基波)，本例中一个在900MHz另一个在901MHz。放大器的输出是两个欲得到的有用信号。因为放大器不是理想线性的，它还产生了两个三阶互调(IM3)产物。IM3通常以dBm给出。这里显示的IM3失真产物在频率上距离有用信号非常的近因此不能用滤波器轻易地去除它们。为了减少三阶失真产物，必需提高IP3规范。

三阶互调产物是由放大器或混频器的非线性特性造成的对两个音频输入相互混频(或调制)的结果。这两个IM3产物是：

    fIM3_1 = 2  f1 - f2,  

i.e. 900  2 - 901 = 899MHz

 
    fIM3_2 = 2  f2 - f1,  

i.e. 901  2 - 900 = 902MHz

 

图3. 双音频IP3测试。(左)两个输入音频。(右)输出包含两个被放大的音频、IM3产物和谐波失真。

由于会产生互相混频现象，低相位噪声对无线接收机是重要的。如图6所示，具有噪声的本地振荡器(LO)对接收的有用信号进行混频并转换为IF。如果存在一个干扰信号(来自另一个发射机)，它也同LO进行混频并被下变频到IF频率范围内。因为干扰比有用信号强的多，相位噪声的“尾部”将涌进IF信道内。这一噪声降低了信噪比并恶化了接收机的性能。低相位噪声LO对这种具有强干扰的接收机是重要的。

图6. 有用信号和干扰信号都被下变频至IF。由于振荡器的相位噪声，被下变频的干扰的尾部噪声覆盖在有用信号信道上并且不能容易地滤除。

调谐范围是VCO覆盖的频率范围。例如，VCO的额定频率为900MHz，但是它可以通过改变其调谐输入电压而调谐到从850MHz到950MHz的范围内。此时的调谐范围是100MHz。通常需要宽的调谐范围以覆盖在规定的供电电压和温度范围内的工作频率范围。

调谐增益或VCO增益是当调谐输入电压改变时VCO敏感程度的度量。例如，调谐增益为50MHz/V的意思是当调谐电压改变1V时将有50MHz的频率变化。通常需要低的调谐增益，因为此时被松耦合到振荡器槽路的变容二极管将使振荡器具有更低的相位噪声。