计算机网络与无线通信系统学习16：射频器件的基本参数

一、趋肤效应

从一个导体的横截面看，导体中心的感抗对交流电的阻碍作用比外层或表面大很多。因此，交流电通过导体时，各部分的电流密度不均匀，导体表面电流密度大，而导体中心的电流密度小，这种现象称为趋肤效应。交流电的频率越高，趋肤效应越显著，频率高到一定程度，可以认为电流完全从导体表面流过。

在实际应用中，用空心导线代替实心导线，可节约材料，在高频电路中，使用多股相互绝缘的细导线编织成束，来消弱趋肤效应的影响。

二、噪声

在无线电波的信号处理和传播过程中，也会遇到无法确切预测，但有概率统计规律的电磁波干扰信号，这种信号不同于特定频率的无线电波之间的相互干扰，它在很大的频带范围内存在，称之为噪声。

噪声分为系统内部噪声和系统外部噪声，系统内部噪声包括与环境温度相关的热噪声、电子管工作时产生的噪声、信号与噪声之间的互调产物等。系统外部噪声来自雷电风雨产生的噪声、汽车的点火噪声、其它用电设备产生的噪声等。

三、信噪比：

无线通信领域的信噪比，简单的说，就是有用信号和噪声的功率之比，通常以SNR表示。有用信号的可靠传送是我们想获得的好处，有用信号在传输过程中，必然引入各种噪声，最起码是热噪声，这就是我们要付出的代价。在不考虑成本的前提下，信噪比越大越好，增加有用信号强度，控制干扰和噪声，可以提高信噪比。

四、噪声系数：

射频器件本身也会引入新的噪声，输入端信噪比会比输出端信噪比高一些，输入端信噪比和输出端信噪比的比值就是射频器件的噪声系数。

噪声系数可以衡量接收机、放大器等射频器件的射频（RF）性能。它表示经过射频器件后，信号有用功率的相对损失和噪声功率的相对放大。基站的噪声系统一般为3-5dB，用户移动台的噪声系数一般为7-9dB。

五、加性噪声与乘性噪声：

加性噪声是通过功率直接叠加的方式作用于有用信号，它的存在独立于有用信号，不管有没有有用信号，加性噪声始终存在于射频器件中，或多或少影响着正常的通信质量。

乘性噪声是由于无线环境的不理想或者射频器件的非线性，伴随着无线信号的接收和传送过程而产生的噪声。这种噪声与信号的关系是相辅相成的，有信号就有它，没有信号也就不存在了。在射频信号非线性范围内无线信号的微小变化，可能导致巨大的信息失真。

六、线性区域与非线性区域：

七、1dB压缩点：

当输入信号较小时，在射频放大器的线性工作范围内，输出信号与输入信号可以保证线性关系。输入信号的幅度增加26%（1dB）时，输出也相应增加26%（1dB）。随着输入信号幅度的增加，逐渐进入了放大器的饱和区，开始了非线性幅度失真，即输入电平增加26%，输出将增加不到26%，输出增加值开始减少。在某一点的实际输出值比假若仍线性增长时的值减少26%，这一点叫做1dB压缩点。在选择射频器件的时候，要使射频器件的工作范围远离1dB压缩点。

八、放大器功率回退：

放大器的输入与输出关系有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率的增加而线性增加。放大器超出线性范围进入饱和区，就不再有线性关系。当放大器工作在1dB压缩点时输入易波动，输出就容易失真很多，放大器的工作范围要远离1dB压缩点，远离饱和区，这就是放大器的功率回退。

九、三阶交调：

两个或两个以上频率的无线电波在非线性射频器件中传播时，或者在空中传播碰上金属物体的时候，可能产生其它频率的交调干扰信号。交调干扰信号有三阶、五阶、七阶或者更多阶的分量，但是三阶交调分量最大。三阶交调是衡量射频器件非线性的重要指标。在选择射频器件时，三阶交调指标的绝对值越大越好。其值越大，说明交调产物相对住信号越小，对系统的干扰影响越小。

十、三阶截止点：

一个射频器件，输入端两个频率的无线电波强度同时增加1dB，主输出信号也相应增加1dB，但输出的三阶交调产物将增加3dB。这样输入信号增加到一定值时，主输出信号和输出的三阶交调产物幅度相等，在此时，交调产物将会严重影响主信号的质量，这一点称为三阶截至点。

十一、邻道泄漏比：

邻道泄漏是用来衡量射频器件对主工作频率外的信道的影响特性，或称带外辐射特性。邻道泄漏比（ACLR）就是泄漏在邻道的功率与主信道功率之比。WCDMA的要求是：第1邻道（偏离载频5MHz）的ACLR达到45dBc；第2邻道（偏离载频10MHz）的ACLR达到50dBc。

十二、杂散辐射：

射频发射机本应该在规定的频率范围内发送无线信号，即发射带内信号，但是由于射频发射机的内部元器件并非理想器件，存在或多或少的非线性，在发射无线信号的过程中，产生了很多非规定频率范围内的信号，即发生了杂散辐射。杂散辐射可能是一些非线性元器件产生的谐波分量、交调信号等。为了防止一个系统的杂散辐射对其它无线通信系统造成的干扰，需要提高系统的电磁兼容性能。

十三、接收灵敏度：

接收灵敏度就是接收机能够正确的把有用信号拿出来的最小信号接收功率。它和3个因素有关系，即带宽范围内的热噪声、系统的噪声系统、系统把有用信号拿出所需要的最小信噪比。

十四、杂散响应：

杂散响应也称寄生响应，就是在接收机中产生的，和接收到的有用信号频率相近的、系统无法滤除的干扰信号。无线环境中存在很多干扰信号，大多数可以通过接收机的滤波器滤掉，但有的接收机的抗杂散响应能力差，系统的后级滤波器无法滤掉接收机本身产生的杂散响应。从系统接收的角度看，系统工作的频率范围内没有什么干扰，但由于环境的带外干扰太大，且本身的抗杂散响应能力弱，就会引起系统接收性能变差。

十五、行波：

行波就是行动的无线电波。无线电波在空气或者射频器件中传播时其波形不断向前推进，其能量随波的传播而不断向前传递，传播介质的任何一处，通过的平均能量不为0。

十六、驻波：

驻波就是不再继续推进的无线电波，虽然电波上的任何一点都在上下震动，但波形没有传播出去，就像原地踏步的队伍不再前进一样。两列波（如入射波和发射波）振幅和频率相同，传播方向相反，叠加后波形不向前推进，就是驻波。

十七、行驻波：

传输线在阻抗不匹配的情况下，同时存在入射波和反射波，反射波的振幅小于入射波，入射波和反射波相叠加，形成的合成波就是行驻波。

十八、传输线：

射频传输线是用来传输无线电波能量的导线，是射频器件之间的连接器。天线和基站机顶口之间的主要传输线，称为馈线。为了拼配射频器件的接入端口，连接在馈线和射频器件端口之间几米内的传输线，称为跳线。

对比一下，电风扇的电源线长度1m，居民用电的工作频率50Hz，波长是6000km，这条传输线相对与波长非常短，可以认为线上的各点的电压和电流是相同的，等效为电路中的一点，不需要考虑无线电波波动效应的影响，可以认为从电源到风扇是短路的。

但在无线通信中，使用的是超高频，也就是说无线信号的波长很短，一般来说，传输线的长度比信号的波长大很多，线上各点的电压和电流不再相同，所以射频传输线也叫长线传输线。常见的射频传输线有平行线、同轴线等。

十九、特性阻抗：

特性阻抗是射频传输线影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性，等于各处的电压与电流的比值。在射频电路中，电阻、电容和电感都会阻碍交变电流的流动，合称阻抗。电阻是吸收电磁能量的，理想电容和电感不消耗电磁能量。阻抗合起来影响无线电波电压、电流的幅值和相位。同轴电缆的特性阻抗和导体内、外直径大小及导体见介质的介电常数有关，而与工作频率传输线所接的射频器件以及传输线长短无关。也就是说，射频传输线各处的电压和电流的比值是一定的，特性阻抗是不变的。

目前无线通信系统射频器件有两种特性阻抗，一种是50欧姆，用于军用微波、GSM、WCDMA等系统；另一种是75欧姆，用于有线电视系统。

二十、阻抗匹配：

传输线与射频器件相连的时候，要求二者阻抗匹配。阻抗匹配就是在分界处只有入射波，没有反射波；也就是传输线和射频器件在无线电波发送时如同没有分见面一样。传输线所接射频器件的阻抗等于传输线的特性阻抗，就是阻抗匹配了。匹配时，能够保证传输线的下一级射频器件得到全部信号功率，而没有损失。

二十一、反射系数：

电压反射系数就是指反射波电压和入射波电压的幅度之比，其公式为：

当射频器件和传输线阻抗匹配时，其值为0，无线电波处于行波状态，没有反射波；当阻抗为0或者无穷时，其值为1，反射波和入射波电压幅度完全相同，属于全反射，无线电波处于驻波状态。一般情况下，传输线上既有行波也有驻波，无线电波处于行驻波状态，反射系数的范围为0~1。

二十二、驻波比：

反映驻波大小的是驻波比，驻波比越大，驻波所占的比例越大，系统无线电波的传送问题越大，反映行波大小的是行波系数，行波系数越大，行波所占的比例越大，系统无线电波传送就越顺畅。

无线电波在传输线中行进的过程中，任何位置的电波振动幅度都可以接近最大振幅。此时，在不长的距离内，任意亮点最大振幅的比是V2/V1，接近于1。但当存在反射波的时候，反射波和入射波叠加，在相位相同的时候，振幅相加，形成波腹，最大振幅为Vmax；在相位相反的时候，振幅相减，形成波节，振幅为Vmin。

电压驻波比也叫驻波系数，是波腹电压与波节电压幅度之比。在无线通信过程中，驻波比是衡量传输线和射频器件之间阻抗匹配程度的重要指标，一般要求驻波比小于1.5。

二十三、回波损耗：

回波损耗是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比，以对数形式表示，单位是dB。回波损耗与反射系数的关系为：

假若反射系数是0.1，那么驻波比是：

回波损耗为：

于是，反射波功率=入射波功率/100，也就是说，入射波的功率到了传输线和射频器件的接口处，1%的功率发射了回去，99%的功率传了下去。

二十四、衰减系数：

传输线里的无线信号，会遇到3种性质的能量损耗：一是导体的电阻对能量的消耗吸收（即导体损耗，趋肤效应会加大导体损耗）；二是电波和绝缘材料分子碰撞吸收了能量（介质损耗）；三是无线信号由于传输线的不理想辐射了一部分能量。随着传输线长度的增加、工作频率的提高、截面积的减少，传输线的损耗会增加。给定工作频率、给定传输线的粗细，损耗就主要和其长度有关了。衰减系数就是单位长度产生的损耗大小。

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