射频——选型、架构、指标、调测

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    一、 简介
3 m; Y9 P8 P3 R. _# S
本文简单介绍射频链路相关知识，按链路前后级构成逐一阐述。
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7 Q& D" a! A+ [, M那么什么是射频？

射频（RF）是Radio Frequency的缩写，简称RF，表示可以辐射到空间的电磁波频率，广义射频的频率范围从300kHz～300GHz之间，超过300GHz时一般叫做光线，例如红外线、可见光等。

射频的理论基础是麦克斯韦方程组，简单理解是变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场。
$ v5 ?7 x0 F3 `3 N( A
0 v; U  o4 [- i' P  B3 {6 k) l& G     二、芯片选型
/ D: q. S) \. a# o/ A0 E
射频芯片选型一般可以从三个角度来看，1、对比不同芯片的射频指标，2、根据产品需求并通过链路预算确认，3、同竞品PK指标。以下从指标及预算角度分别简单说明。
' K- ]: c- {- Q( |& T) a& @4 F1 e关键指标

4 ^9 U+ ]; d2 }7 {对于产品和用户来说，射频的关键指标相对较少，一般参考以下几个参数：

各模式输出功率

/ a" f# P" L, @4 l8 f& {4 C各模式接收灵敏度
& }- z+ V) q/ V6 v, q
各模式最大接收电平

至于为何主要考虑这几点，可参考下一节链路预算，并根据公式及经验推算。
4 ?' |4 N4 _' N8 v2 X5 t( f
1 M6 E  r! {( LESP32：


' S/ w. c9 a/ T# C2 E
2 J' M; |8 V# j( U5 k* G
nRF52832：

链路预算
( ?  C+ m* T* f: h: ~
弗里斯传输公式
3 F' N( f" x  J) a# l" l" I
, ~# }; S* U. U. T+ Z2 q或

Lg（Pr）=Lg（Pt）+Lg（Gt）+Lg（Gr）+2Lg（λ/4πR）
6 b+ U* R8 o! |% l
  F8 V, Y& s. X1 s% O- d- e注：f*λ=C
$ @) P( e. p5 l; X; O
( E) Y0 d: w! [+ A; _Pr为接收λ到的功率
; h3 u& N1 ]7 b- M
1 ~/ c% c4 s( G  |- e# VPt为发射功率

7 p) Q0 U3 Q5 O- h9 }/ VGt为发射天线增益

# V: ]( W' `1 b& C7 b7 Q& zGr为接收天线增益

λ为波长

R为收发机之间的距离

一般情况下，会根据常用频率或波长推导出更简易计算的经验公式，例如对2.4GHz来说：

1米距离下，衰减40dB，以此为基础，拓展到10米时，衰减为60dB（功率衰减为距离的平方的倒数，再对数计算）
) a8 X5 }* g- o9 C
举例：

) Y, V/ r: Z5 U% ]% d/ X. D9 q& yBLE发射功率一般设定为0dBm，天线增益平均-5dB（包含发射接收），接收灵敏度根据芯片选型ESP32为-97dBm，则带入上述公式，可用于传输损耗的功率为= 0dBm-（-97dBm）+（-5dB）+（-5dB）=87dB

) Q: _  M5 z7 b, }( w! S5 h再根据上述经验数据，可得87dB可以保证自由空间传输距离最大为250米（87dB=40dB+20dB+20dB+6dB+1dB ——> 1米*10*10*2*1.25=250米）。
3 X# g0 E% S$ ^1 ?7 G
而实际室内环境中还要考虑墙体损耗，物体损耗等，再有天线极化匹配，活动物体、功率波动及多径效应等影响，实际可保证的传输一般在10米以上。
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注：墙体损耗一般在20dB上下，玻璃的损耗在10-15dB，极化损耗大致3dB上下，且信号在实际环境中容易存在波动，预留5dB的波动，则可推出可保证的传输距离大致为10米。
  ^6 s  l) r, N' X1 k1 W
芯片选型的关键指标的由来，想必已经比较清晰，同时也可以注意到，天线是上述芯片选型之外最重要的设计考量。

但也要注意，实际上，射频设计中要考量的点还有很多，简单举例还有涉及认证、协议，生产测试等相关的参数。
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& z) f! Z, A- ?) R7 I

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射频发射机需要注意的是功率的推动放大，预放推末前级，末前级推末级，注意由于增益过高而引起放大器自激，此时已经不稳定，设计时需要在中间加一些衰减，末级甚至末前级加隔离器的方法，有条件可以利用腔体隔开，留够足够的裕度

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接收机结构最传统的是超外差结构，超外差结构能提供非常好的性能，但这种结构需要大量分离元件，像滤波器、混频器、放大器等。

架海梁心

零中频软件无线电芯片已经非常流行，集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供可配置数字接口。