1.1. 射频技术导论

射频（Radio Frequency, RF）通常指 300 kHz ~ 300 GHz 范围内的电磁波。射频工程是无线通信、雷达、卫星、物联网等系统的物理层基石。

1.1.1. 频率划分与典型应用

频段	频率范围	波长	典型应用
LF (低频)	30 ~ 300 kHz	10 ~ 1 km	导航、AM 广播
MF (中频)	300 ~ 3000 kHz	1 ~ 0.1 km	AM 广播
HF (高频)	3 ~ 30 MHz	100 ~ 10 m	短波通信、业余无线电
VHF (甚高频)	30 ~ 300 MHz	10 ~ 1 m	FM 广播、电视、航空
UHF (特高频)	300 ~ 3000 MHz	1 ~ 0.1 m	手机、WiFi、GPS、蓝牙
SHF (超高频)	3 ~ 30 GHz	10 ~ 1 cm	卫星、雷达、5G
EHF (极高频)	30 ~ 300 GHz	10 ~ 1 mm	毫米波雷达、6G 研究

1.1.2. RF 与低频电路的核心区别

特性	低频电路	射频电路
波长	\(\lambda \gg\) 电路尺寸	\(\lambda \approx\) 电路尺寸
信号传输	电压/电流（集总参数）	电磁波（分布参数）
互连	导线（理想短路）	传输线（需阻抗匹配）
元件模型	理想 R/L/C	高频寄生效应显著
接地	理想地	需要地平面和过孔
设计工具	SPICE	谐波平衡 / 电磁仿真

重要

工程上判断射频条件的经验法则：

\[当 \quad l > \frac{\lambda}{10} \quad 时，必须使用分布参数模型\]

其中 \(l\) 为电路物理尺寸，\(\lambda\) 为工作波长。

1 GHz 时， \(\lambda \approx 30\ \text{cm}\) ，大于 3 cm 的走线即需按传输线处理
10 GHz 时， \(\lambda \approx 3\ \text{cm}\) ，大于 3 mm 的走线即需按传输线处理

1.1.3. 射频设计核心参数

1.1.3.1. 阻抗

特征阻抗 \(Z_0\) 是传输线的最基本参数：

\[Z_0 = \sqrt{\frac{R + j\omega L}{G + j\omega C}}\]

无耗传输线（ \(R=0,\ G=0\) ）时：

\[Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}\]

标准阻抗值： 50 \(\Omega`（通用）、75 :math:\)Omega`（视频/电视）

1.1.3.2. 反射系数

\[\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0} = \frac{V_{\text{ref}}}{V_{\text{inc}}}\]

\(\Gamma = 0\) ：完全匹配（无反射）
\(|\Gamma| = 1\) ：全反射（开路、短路或纯电抗）

1.1.3.3. 驻波比 (VSWR)

\[\text{VSWR} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}\]

\(\|\Gamma\|\)	VSWR	反射功率 (%)	评价
0.00	1.0:1	0%	完美（理想）
0.10	1.22:1	1%	优秀
0.20	1.50:1	4%	良好
0.33	2.00:1	11%	可接受
0.50	3.00:1	25%	需要改进

1.1.3.4. 插入损耗与回波损耗

\[ \begin{align}\begin{aligned}\text{IL} = -10 \log_{10} \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} \quad (\text{dB})\\\text{RL} = -10 \log_{10} |\Gamma|^2 = -20 \log_{10} |\Gamma| \quad (\text{dB})\end{aligned}\end{align} \]

1.1.3.5. dB 与 dBm

\[ \begin{align}\begin{aligned}\text{dB} = 10 \log_{10} \frac{P_1}{P_2}\\\text{dBm} = 10 \log_{10} \frac{P}{1\ \text{mW}}\end{aligned}\end{align} \]

功率	dBm	典型场景
1 W	+30 dBm	发射机输出
100 mW	+20 dBm	蓝牙 Class 1
1 mW	0 dBm	参考电平
0.1 mW	-10 dBm	接收机输入
0.001 mW	-30 dBm	弱信号

小技巧

快速心算：+3 dB = ×2，-3 dB = ×0.5，+10 dB = ×10

例：0 dBm + 10 dB = 10 dBm，10 dBm + 3 dB = 13 dBm（×2 = 20 mW）

1.1.4. 射频系统的典型架构

超外差接收机架构：

┌────────┐    ┌──────────┐    ┌────────┐    ┌────────┐    ┌──────────┐
│ 天线   │──→ │  射频LNA  │──→ │  混频器 │──→ │ 中频放大 │──→ │  解调/基带 │
└────────┘    └──────────┘    └───┬────┘    └────────┘    └──────────┘
                                 │
                            ┌────▼────┐
                            │  本振 LO │
                            └─────────┘

零中频（直接变频）接收机架构：

┌────────┐    ┌──────────┐    ┌────────┐    ┌──────────┐
│ 天线   │──→ │  射频LNA  │──→ │  IQ解调 │──→ │ 基带 ADC │
└────────┘    └──────────┘    └──┬──┬───┘    └──────────┘
                                 │  │
                            ┌────▼──▼────┐
                            │   正交本振  │
                            └───────────┘