1.6. 射频电路设计

本章介绍射频电路设计中的关键模块：放大器、滤波器、混频器和振荡器。

1.6.1. 射频放大器

1.6.1.1. 放大器分类

类型	导通角	理论效率	线性度	应用
A 类	360°	50%	最好	小信号 LNA
AB 类	180°~360°	50~78%	好	中功率
B 类	180°	78.5%	一般	推挽
C 类	< 180°	> 80%	差	高功率
D/E/F 类	开关模式	> 80%	极差	高效率 PA

1.6.1.2. 小信号放大器设计（LNA）

低噪声放大器（LNA）的设计目标：

1. 最小化噪声系数 NF
2. 提供足够增益 (S₂₁ > 10 dB)
3. 良好的输入/输出匹配 (S₁₁ < -10 dB, S₂₂ < -10 dB)
4. 足够的线性度 (IIP3 > -10 dBm)

LNA 常用拓扑：

┌─────────── Vdd
│
├── L_choke
│
┌┴┐
│ │ R_d
└┬┘
│
C_out
├──┬── RF_out
│  │
┌┴┐ ═══ C_bypass
│ │
│ │ L_s   ← 源极退化电感（噪声匹配）
│ │
═══     GND

1.6.1.3. 噪声系数 (NF)

\[ \begin{align}\begin{aligned}F = F_{\min} + \frac{R_n}{G_s} |Y_s - Y_{\text{opt}}|^2\\\text{NF} (\text{dB}) = 10 \log_{10} F\end{aligned}\end{align} \]

\(F_{\min}\) ：最小噪声系数
\(R_n\) ：等效噪声电阻
\(Y_{\text{opt}}\) ：最佳噪声导纳

重要

在 LNA 设计中， 噪声匹配 和 功率匹配 通常不是同一个点—— 最小噪声点与最大增益点在史密斯圆图上不重合。设计需在噪声和增益间权衡。

ADS 可用 Smith Chart Matching 工具同时显示噪声圆和增益圆。

1.6.1.4. 放大器稳定性

稳定性分析（使用 S 参数）：

1. 计算 Rollett 稳定因子 K：
     K > 1 且 |Δ| < 1 → 无条件稳定

2. 若 K < 1，需增加稳定网络：
    - 在栅极串联小电阻（降低低频增益）
    - 在漏极并联 RC 网络
    - 在输出加隔离器

1.6.2. 射频滤波器

1.6.2.1. 滤波器类型

类型	响应	特点	应用
巴特沃斯	最平坦通带	通带无波纹	通用
切比雪夫	通带等波纹	更陡截止	需要陡峭过渡带
椭圆	通带+阻带波纹	最陡截止	要求高的阻带抑制
贝塞尔	线性相位	无过冲	时域敏感应用

1.6.2.2. 微带滤波器实现

平行耦合微带带通滤波器（三阶示例）：

      λ/4          λ/4          λ/4
┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐
│ Port 1  │  │          │  │ Port 2  │
│ ──────  │  │ ──────── │  │ ──────  │
│         │  │          │  │         │
│ ──────  │  │ ──────── │  │ ──────  │
└──────────┘  └──────────┘  └──────────┘
  耦合间隙      耦合间隙

耦合间隙 g 决定耦合系数 → 影响滤波器带宽
谐振器长度 = λ/4（短路）或 λ/2（开路）

1.6.2.3. 滤波器设计参数

\[ \begin{align}\begin{aligned}插入损耗：IL \approx \frac{4.34}{Q_u} \sum_{i=1}^n g_i \ (\text{dB})\\3-dB 带宽：BW = \frac{f_0}{Q_L} \times 100\%\\带外抑制：每增加一阶增加约 6 dB/倍频程（巴特沃斯）\end{aligned}\end{align} \]

1.6.3. 混频器

混频器原理：

f_RF (输入) ──┐
               ├── 非线性器件 ── 中频输出
f_LO (本振) ──┘

f_IF = |f_RF ± f_LO|

常用混频器拓扑：

单管混频器：
┌────────────────────┐
│  RF ───┬── Diode ──┼── IF
│        │           │
│  LO ───┴───────────┤
│        L/C 匹配     │
└────────────────────┘

吉尔伯特双平衡混频器（集成）：
用晶体管堆叠实现，提供更好的端口隔离度。

混频器关键指标：

转换增益 (或损耗)：RF 输入到 IF 输出的功率比
端口隔离度：LO → RF、LO → IF、RF → IF 的泄漏
IIP3 / 1-dB 压缩点：线性度指标
噪声系数：包括镜像噪声

1.6.4. 振荡器

Colpitts 振荡器（电容三点式）：

┌───────── Vdd
│
├── RFC
│
┌┴┐
│ │
└┬┘
│
├── C₁ ──┬── C₂ ── GND
│        │
└────────┴── L ──── GND

振荡条件：

1. 环路增益 |Aβ| ≥ 1
2. 环路相移 ∠(Aβ) = 360° (0°)

VCO（压控振荡器）中用变容二极管代替固定 C₁ 或 C₂
来实现频率调谐。

1.6.4.1. 相位噪声

\[ \begin{align}\begin{aligned}\mathcal{L}(\Delta f) = 10 \log_{10} \left[ \frac{2FkT}{P_s} \left(1 + \left(\frac{f_0}{2Q\Delta f}\right)^2\right) \right]\\\text{其中：} P_s = \text{信号功率, } Q = \text{谐振回路有载 Q}\end{aligned}\end{align} \]

相噪单位：dBc/Hz @ 偏移频率
每增加一倍的谐振腔 Q 值，相噪改善约 6 dB
每增加一倍的偏置频率，相噪下降约 20 dB/dec