射頻（RF）系統(tǒng)是所有無線通信技術(shù)的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在空中的無縫傳輸與接收。這類系統(tǒng)由三大核心組件構(gòu)成：發(fā)射端、接收端和天線。發(fā)射端將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻模擬信號(hào)并向空間輻射，接收端負(fù)責(zé)捕獲這些信號(hào)（通常已衰減和失真）并將其恢復(fù)為可用形式，而天線則作為電能與電磁能的轉(zhuǎn)換接口，在信號(hào)收發(fā)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文將從信號(hào)處理基礎(chǔ)原理到提升通信距離、效率和整體可靠性的實(shí)際優(yōu)化手段，全面解析射頻系統(tǒng)的組成架構(gòu)、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)考量。

一、射頻系統(tǒng)的基本原理

射頻（RF）系統(tǒng)負(fù)責(zé)在A點(diǎn)與B點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的傳輸與接收，其核心組成包括：

發(fā)射端

• 功能：

• 將數(shù)字比特序列轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)；

• 對(duì)此模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并轉(zhuǎn)換至射頻頻率；

• 通過放大、阻抗匹配及濾波處理，最終通過天線輻射信號(hào)。

接收端

• 功能：

• 放大接收到的微弱信號(hào)；

• 將信號(hào)解調(diào)并還原至基帶頻率。

• 特性：接收端的功能與發(fā)射端呈逆向互補(bǔ)關(guān)系。

天線

• 核心作用：

• 在發(fā)射端，以最高效率將電能轉(zhuǎn)換為電磁能；

• 在接收端，以最高效率將電磁能重新轉(zhuǎn)換為電能。

當(dāng)接收端解碼后的信息與發(fā)射端原始信息基本一致時(shí)（允許特定應(yīng)用場(chǎng)景下存在一定誤碼率，例如每接收100比特允許1比特錯(cuò)誤，或每接收100個(gè)數(shù)據(jù)包允許1個(gè)解碼錯(cuò)誤），即可判定該射頻系統(tǒng)有效。

發(fā)射端（Transmitter）

發(fā)射端的主要功能是將數(shù)字基帶信號(hào)上變頻至射頻頻率，并提升至足夠的功率強(qiáng)度。其典型架構(gòu)如下：

• 基帶信號(hào)生成：將數(shù)字比特序列轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)。

• 調(diào)制與變頻：對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并將其搬移至射頻頻段。

• 信號(hào)優(yōu)化：通過功率放大、阻抗匹配及濾波處理，確保信號(hào)可通過天線高效輻射

接收端（Receiver）

接收端需處理路徑中因干擾（同頻或鄰頻）而衰減或失真的微弱電磁信號(hào)，其核心任務(wù)是從復(fù)雜噪聲中提取并恢復(fù)有效信號(hào)。傳統(tǒng)接收端的基本架構(gòu)如下：

• 濾波器：濾除鄰近頻段的干擾信號(hào)。

• 低噪聲放大器（LNA）：通過增益和低噪聲系數(shù)，將信號(hào)放大至可解碼的強(qiáng)度。

• 混頻器：將射頻信號(hào)與本地載波混頻，下變頻至基帶或近零中頻（NZIF）。

• 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。

  

  收發(fā)機(jī)（Transceiver）

  收發(fā)信機(jī)是發(fā)射端（Transmitter）與接收端（Receiver）的集成化組件，封裝于同一芯片內(nèi)。

  

• 其核心模塊包括：

• 頻率合成模塊：生成用于上下變頻的本地振蕩信號(hào)，依賴外部參考時(shí)鐘（如晶振XO或溫控晶振TCXO），其精度直接影響射頻信號(hào)的頻率穩(wěn)定性。

  天線

  在設(shè)計(jì)射頻系統(tǒng)時(shí)，我們需要將電能轉(zhuǎn)換為電磁能，使其能夠（通常通過空氣）傳播。實(shí)現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)換的核心元件是天線。在大多數(shù)采用收發(fā)器解決方案的應(yīng)用中，同一根天線會(huì)同時(shí)承擔(dān)發(fā)射和接收功能。天線對(duì)于確保最佳輻射性能起著決定性作用。

  天線的特性通常通過以下參數(shù)表征：

  理想情況下，天線應(yīng)通過設(shè)計(jì)在其目標(biāo)射頻頻率上實(shí)現(xiàn)諧振（即呈現(xiàn)最小損耗）。其帶寬可定義為損耗被最小化的頻率范圍。S11參數(shù)用于測(cè)量回波損耗，即驗(yàn)證大部分注入信號(hào)是否被有效輻射。

  需特別注意：

  

• 諧振頻率

• 特征阻抗

• 帶寬

1. 絕大多數(shù)天線并非按50歐姆阻抗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因此必須使用匹配電路。該電路需同時(shí)調(diào)節(jié)諧振頻率，并使天線阻抗與收發(fā)器射頻前端的50歐姆阻抗匹配。

2. 僅憑阻抗匹配不足以評(píng)判天線的質(zhì)量優(yōu)劣。

方向性、效率與增益
方向性：指天線在發(fā)射時(shí)能將能量集中輻射至特定方向，或在接收時(shí)更有效地從特定方向捕獲能量的能力。
效率（Eantenna）：表示天線實(shí)際輻射的能量與其饋電點(diǎn)輸入能量的比值。
增益（G）：為效率（Eantenna）與方向性（D）的乘積，通常以標(biāo)準(zhǔn)天線（如各向同性天線）為參考值給出。

II. 射頻常用定義與單位

a. dBm
在射頻領(lǐng)域，通常采用對(duì)數(shù)標(biāo)度進(jìn)行度量。由于分貝（dB）是相對(duì)值而非絕對(duì)值，因此引入"dBm"（"m"代表毫瓦）作為以1毫瓦為基準(zhǔn)的絕對(duì)功率單位。

功率換算公式：
dBm = 10×log(毫瓦功率值/1mW)

采用對(duì)數(shù)標(biāo)度具有顯著優(yōu)勢(shì)：

• 簡化系統(tǒng)增益與損耗的計(jì)算（直接進(jìn)行加減運(yùn)算）

• 便于直觀理解功率變化關(guān)系

應(yīng)用示例：
"天線輸入端功率為16dBm，天線損耗3dB，則輻射功率為16-3=13dBm"

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b. 接收機(jī)靈敏度與選擇性
靈敏度
定義：接收端能正確解碼數(shù)據(jù)的最小輸入功率。

測(cè)試方法：

1. 逐步降低接收端輸入功率

2. 直至達(dá)到指定誤碼率（BER）或誤包率（PER）閾值

3. 例如ETSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定靈敏度閾值為0.1% BER

關(guān)鍵限制因素：

• 靈敏度不能低于系統(tǒng)噪聲基底（Noise Floor）

• 有效信號(hào)必須高于噪聲水平一定幅度（即最小信噪比SNR）才能被正確解調(diào)

• 不同調(diào)制方式對(duì)應(yīng)不同SNR需求：

• FSK調(diào)制：約9dB（1% BER時(shí)）

• OOK調(diào)制：約12dB（1% BER時(shí)）

選擇性
定義：與靈敏度類似，但需在強(qiáng)干擾源（近端或遠(yuǎn)端）存在時(shí)，測(cè)試接收機(jī)在惡劣環(huán)境下的抗干擾能力。

關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景：

• 醫(yī)療等敏感領(lǐng)域需滿足ETSI或Wireless-MBUS標(biāo)準(zhǔn)中定義的接收機(jī)類別

• 干擾類型分類：
  相鄰信道選擇性：干擾源頻率接近目標(biāo)信道（如相鄰/隔鄰信道）
  帶外阻塞：干擾源超出接收機(jī)工作帶寬范圍

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c. 發(fā)射機(jī)輸出功率與諧波
發(fā)射機(jī)性能主要通過以下兩類指標(biāo)表征：

1. 基波輸出功率
   指發(fā)射機(jī)在目標(biāo)工作頻率（基頻）上的有效輻射功率

2. 雜散信號(hào)抑制
   評(píng)估發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的非預(yù)期輻射信號(hào)，主要包括：

• 互調(diào)產(chǎn)物：由芯片組內(nèi)部元件（晶振、壓控振蕩器等）頻率重組產(chǎn)生的非線性干擾

• 諧波：基頻整數(shù)倍頻率處的輻射（n×f0），屬于雜散信號(hào)的特例

d. 射頻鏈路預(yù)算
在射頻通信系統(tǒng)中，通信距離的覆蓋能力是核心評(píng)估指標(biāo)，其取決于以下關(guān)鍵參數(shù)：

1. 發(fā)射機(jī)輸出功率（Ptx)
   

   發(fā)射端天線饋入的有效輻射功率

2. 接收機(jī)輸入功率（Prx）
   接收端天線接口處的有效接收功率

3. 接收機(jī)靈敏度（S）
   維持可靠通信所需的最小接收功率（參見前文定義）

4. 發(fā)射天線增益（Gtx）
   發(fā)射端天線的方向性增益

5. 接收天線增益（Grx）
   接收端天線的方向性增益

6. 自由空間路徑損耗（FSPL）
   電磁波在自由空間傳播時(shí)的能量衰減，計(jì)算公式：

FSPL (dB)=20log?10(d)+20log?10(f)+32.45

其中：

• d = 傳輸距離（km）

• f = 工作頻率（MHz）

射頻通信可行性條件與鏈路預(yù)算分析

當(dāng)接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率（Prx
）達(dá)到或超過其靈敏度閾值（S）時(shí)，射頻通信鏈路方可建立。該條件可通過以下公式表達(dá)：

公式1：

Prx=Ptx+Gtx?FSPL+Grx>S

• Ptx：發(fā)射機(jī)輸出功率（dBm）

• Gtx: 發(fā)射天線增益（dBi）

• Grx: 接收天線增益（dBi）

• FSPL: 自由空間路徑損耗（dB）

• S: 接收機(jī)靈敏度（dBm）

鏈路預(yù)算表征系統(tǒng)功率裕量，計(jì)算公式為：
公式2：

鏈路預(yù)算=Ptx?S+Gtx+Grx

工程意義：
該值需大于FSPL與額外損耗（如電纜損耗、極化失配等）之和，以確保可靠通信。

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自由空間路徑損耗（FSPL）近似模型
公式3：

FSPL (dB)=20log?10(d)+20log?10(f)+92.45

變量說明：

• dd: 傳輸距離（公里，km）

• ff: 工作頻率（千兆赫茲，GHz）

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理論最大通信距離估算
聯(lián)立公式1與公式3，可推導(dǎo)自由空間下射頻鏈路的理論最大距離：

應(yīng)用示例：
若某系統(tǒng)參數(shù)為 Ptx=20dBm,S=?100dBm,Gtx=Grx=3dBi,f=2.4GHz




，則理論最大距離約為：

注：實(shí)際部署需考慮多徑衰落、障礙物遮擋及法規(guī)限制，通常取理論值的50%-70%作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

應(yīng)用示例與傳播環(huán)境分析

理論計(jì)算示例
給定參數(shù)：

• 接收機(jī)靈敏度 S=?110 dBm
  

• 發(fā)射功率 Ptx=+16 dBm
  

• 天線增益 Gtx=Grx=0 dBi

• 工作頻率 f=0.868 GHz

根據(jù)自由空間模型（公式3）：

FSPL=20log?10(54)+20log?10(0.868)+92.45≈118 dB

代入鏈路預(yù)算公式：

Prx=16?118+0+0=?102 dBm>S(?110 dBm)理論最大距離D理論=54 公里

那些自由空間損耗條件在現(xiàn)實(shí)生活中永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)，而真實(shí)的射頻傳輸距離會(huì)更低。我們可以區(qū)分三種主要傳播條件：

視距范圍：最佳戶外無遮擋環(huán)境
城市范圍：存在建筑物和障礙物，產(chǎn)生多徑傳播/吸收效應(yīng)
室內(nèi)范圍：墻體、混凝土結(jié)構(gòu)、門體及鄰近金屬物體會(huì)影響覆蓋范圍
針對(duì)每種傳播路徑，我們可以在網(wǎng)絡(luò)上找到一些相對(duì)貼近現(xiàn)實(shí)的評(píng)估工具。使用相同數(shù)據(jù)集，我們得到如下參考結(jié)果：

計(jì)算距離	傳播條件
54 km	自由空間路徑損耗
7.1 km	視距
0.33 km	城市環(huán)境
0.06 km	室內(nèi)環(huán)境

為何需要通過優(yōu)化所有功率傳輸（輸出功率與接收靈敏度）和天線增益來實(shí)現(xiàn)最大傳輸距離？

讓我們以"視距傳播"為例，觀察射頻鏈路預(yù)算下降時(shí)傳輸距離的衰減情況：

射頻鏈路預(yù)算衰減	計(jì)算距離
0 dB（基準(zhǔn)值）	7.1 km
-1 dB損耗	6.4 km
-2 dB損耗	5.9 km
-3 dB損耗	5.4 km
-6 dB損耗	4.1 km
-10 dB損耗	2.8 km

提升1-2 dB的輸出功率或接收靈敏度極為困難，但若選擇效率低下的劣質(zhì)天線，卻極易造成3-4 dB甚至更大的損耗。因此必須確保所有功率傳輸環(huán)節(jié)的最優(yōu)化，這需要通過射頻組件的精確匹配和濾波來實(shí)現(xiàn)。

e. 阻抗、匹配與濾波

射頻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素包括：

實(shí)現(xiàn)射頻模塊間的阻抗適配：

• 確保能量傳輸最大化（如天線匹配、功率放大器匹配）

• 通過濾波器（低通、高通、帶通）選擇/抑制特定頻段

通常需要在射頻輸出功率、雜散抑制和接收靈敏度之間進(jìn)行權(quán)衡。為此，一般使用納亨級(jí)射頻電感和皮法級(jí)電容等分立元件。這類元件存在公差（標(biāo)稱值偏差）和品質(zhì)因數(shù)（表征固有損耗）特性，例如線繞電感比多層電感損耗更低但成本更高。

現(xiàn)有工具可通過史密斯圓圖法，指導(dǎo)如何將"非50Ω阻抗"匹配至50Ω負(fù)載。例如：某天線在目標(biāo)諧振頻率呈現(xiàn)12.5+j10的復(fù)阻抗，可通過匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換。

Step 1: 串聯(lián) 2nH 電感的阻抗分析

步驟 2 分析：并聯(lián) 6.2 pF 電容后的情況

這些工具僅作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參考，但為設(shè)計(jì)提供了良好的起點(diǎn)。由于實(shí)際形態(tài)的PCB布局、元件選擇及接地處理的影響，可能需要對(duì)元件數(shù)值進(jìn)行微調(diào)。

示例1：Sub-GHz頻段物料清單優(yōu)化

某客戶希望在保證諧波抑制余量的前提下，最大限度精簡發(fā)射鏈路（TX）元件數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)物料清單整體優(yōu)化。

初始方案：
客戶原始PCB采用線繞射頻線圈，對(duì)二次諧波抑制具有20 dB以上的余量。

方案分析：
當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的諧波抑制余量采用了以下結(jié)構(gòu)：

1. 兩級(jí)串聯(lián)LC濾波器

2. 一級(jí)LC陷波電路

3. 末端并聯(lián)電容用于濾除高頻分量

已完成工作：

對(duì)該電路進(jìn)行仿真后，我們得到了如下響應(yīng)：

對(duì)于二次諧波（H2），該電路實(shí)現(xiàn)了略超過 30 分貝的抑制。這一巨大的余量使我們能夠：

• 去掉一個(gè) “LC” 串聯(lián)濾波器；

• 選用低品質(zhì)因數(shù)（Q 值）的射頻線圈（多層線圈，采用的技術(shù)成本更低）；
• 重新調(diào)整元件參數(shù)。

分析：
當(dāng)然，移除一個(gè)“LC”低通濾波單元會(huì)抬升諧波水平，但此時(shí)系統(tǒng)仍滿足：

• 諧波抑制余量 > 12 dB（高于射頻標(biāo)準(zhǔn)要求） → 完全可接受

• 減少一級(jí)串聯(lián)LC單元可降低插入損耗 → 實(shí)測(cè)輸出功率提升約1 dB

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示例2：BLE電流消耗優(yōu)化

問題背景：
客戶在輻射模式下測(cè)得設(shè)備電流消耗過高，希望通過優(yōu)化延長電池壽命。

初始數(shù)據(jù)：

• 發(fā)射脈沖期間峰值電流高達(dá)9.5 mA → 顯著高于意法半導(dǎo)體（ST）參考設(shè)計(jì)的典型值

意法半導(dǎo)體（ST）參考設(shè)計(jì)：在相同的工作階段，電流約為 7.5 毫安。

兩塊印刷電路板（PCB）之間存在較大的電流消耗差異（約 25%）。排查方向：

圍繞天線匹配電路展開系統(tǒng)性排查。在保留原始匹配網(wǎng)絡(luò)（L5/C19）的前提下，于天線輸入端測(cè)量了S11參數(shù)，但測(cè)量時(shí)排除了射頻濾波器其他組件的影響。

測(cè)試結(jié)果
測(cè)試表明，天線在目標(biāo)BLE（藍(lán)牙低功耗）頻段遠(yuǎn)未達(dá)到諧振狀態(tài)，需重新調(diào)諧以最小化工作帶寬內(nèi)的損耗。

已實(shí)施措施
通過調(diào)整天線匹配組件參數(shù)，優(yōu)化天線諧振特性，使其在目標(biāo)帶寬內(nèi)恢復(fù)良好諧振性能。

結(jié)果:

工作階段的電流消耗現(xiàn)已恢復(fù)至預(yù)期水平，從而使客戶能夠按計(jì)劃延長電池使用壽