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射频电路设计包括电子电路和系统的架构、建模和实现，射频设计通常在 30 kHz 至 300 GHz 的射频范围内运行，以通过调制方案实现信息的无线传输。
射频电路构成了电信的支柱，包括无线电、电视、蜂窝电话等广播媒体以及通过微波电路进行的雷达和卫星通信。随着物联网的日益普及，行业对有能力的射频系统设计人员的需求很高，以满足汽车传感器、家庭自动化、工业遥测等需要使用半导体公司提供的可编程射频 IC 和模块的定制无线解决方案的应用。
本文提供了一本入门读物，介绍了每个电气工程师在射频系统实现背景下应了解的关键概念，涵盖架构注意事项、性能指标、建模要点、布局指南、特性化步骤以及使用 COTS 组件开发此类高频电路或设计时的测试需求针对应用领域的定制 RFIC 混合信号芯片。
射频电路和系统中的关键概念
在深入研究射频电路设计的细节之前，我们先介绍一些有助于提供正确背景的基本概念：
电磁频谱
RF 信号占据电磁频谱上从长波长到短波长伽马射线的无线电波部分，使用高于基带和低于红外光的频率。该系列映射 AM 无线电、WiFi、雷达、5G 和卫星等应用，通过空中接口以无线方式满足通信、传感和遥测需求。
信息编码
为了交换不仅仅是载波音调的有用数据，信息通过调制编码到射频载波信号在幅度、频率或相位域的特征上，允许接收器通过选择性解调恢复基本输入信号进行重建。常用的数字调制形式包括 BPSK、QAM、GFSK 等，根据噪声恢复、相邻信道抑制、功率或频谱效率等需求进行选择。
天线作为换能器
天线的关键作用是将传导的电信号转换为通过空间传输的辐射电磁波，这些电磁波由接收器天线收集并馈入射频前端进行下游处理。针对指定频率进行调谐的高效天线对于确定操作范围的链路预算至关重要。
通过上述简要背景，我们现在研究采用 RF IC 的典型架构。
架构考虑
典型的无线系统架构包含射频 IC 和模块，它们分布在发射器链上，生成辐射出的高频信号，而对应的接收器链则通过编程信号调节有选择地捕获空中传输的数据包，并在基带上恢复发送的信息。
一些架构考虑因素包括：
1. 单片机接口
控制与微控制器的连接，管理用户界面、数据输入，允许对 RF IC 寄存器进行参数化，配置数据包格式、接口速度、传输功率设置等。通常利用 SPI 链路。
2. 基带编解码器
专用逻辑块将有用信息编码/解码到模拟信号特征（例如幅度或频率变化）上。允许调整调制形式以实现弹性和频谱效率。
3.频率合成器
可编程锁相环电路生成指定频率的稳定载波，具有符合分配的通道频谱掩模的低相位噪声。对于发射和接收选择性至关重要。
4. 功率放大器
通过主动放大克服通信节点之间所需操作范围的路径损耗（包括穿透物理障碍），将射频信号强度提高到指定水平 (ERP)。
5. 匹配网络
调谐模拟滤波网络可防止由于各个放大器级之间的阻抗不匹配而导致的信号反射，平滑功率传输以保证信号完整性，包括允许通过公共天线实现发射/接收功能的双工滤波器。
6. 监管机构
高效开关模式电源可生成稳定的直流电压，通过可用的主电源或电池电源为模拟处理模块供电。
通过定义上述块，我们现在检查关键性能参数。
重要的射频参数
构建无线系统时的一些关键电气要求和注意事项包括：
1. 频率范围
中心频率和带宽取决于 FCC 等区域机构的分配，确定用于 RF 实施的通信通道。通常由目标应用空间决定。
2、输出功率
为预期操作范围提供足够的发射功率以及衰落余量链路预算。电源效率对于电池供电的节点至关重要。包括通过功率放大器级进行升压。
3. 灵敏度
接收器能够可靠地检测低至最低信号强度水平的传输信号，以支持最远的节点距离。定义接收路径信号、噪声阈值。
4. 光谱纯度
使发射信号带宽与分配的频谱模板紧密一致，同时具有低信号相位噪声特性，可以最大限度地利用可用许可频谱中的通道，这对于可制造性至关重要。
5. 线性度
射频放大器的优雅传输特性没有过多的互调产物，可以在不扭曲恢复内容的情况下处理信号峰值，特别是对于高级调制方案。
6. 回波损耗/反射系数
通过所有接口点从源到负载的 S 参数量化良好的阻抗匹配，可以最大程度地向天线传输功率，最大限度地减少内部反射，从而提高信噪比 (SNR)，从而扩大覆盖范围。
7. 噪声系数和动态范围
另一个关键方面是由低噪声系数指定的接收器灵敏度，表明能够可靠地区分相对于内部生成的噪声的小信号电压电平，从而允许接收微弱信号。还需要更宽的动态范围，这表明强信号的无杂散处理。
在接下来检查的射频电路实现期间，在测试设置中对上述参数进行建模、测量和调整。
RF 设计中的建模注意事项
凭借宽频谱、非线性有源元件以及寄生元件的可能性，建模考虑在实施硬件之前占据首要阶段：
1. 电磁场求解器
通过 3D 高频结构模拟器 (HFSS) 使用控制麦克斯韦方程对信号和接地结构（无论是到天线的离散焊线还是 PCB 上的传输线迹线）进行建模。指示满足阻抗目标所需的匹配网络。
2. 非线性晶体管建模
采用非线性晶体管模型（如 BST-HICUM）描述信号功率、电压范围下的有源器件以及电路模拟器（如 SpectreRF）中的器件封装寄生参数，设计集成 LNA、功率放大器。实现最佳的直流和交流偏置，防止失真。
3. 模拟/混合信号验证
在签核之前，在处理 RFBlocks/RFPro 提供的符号库的环境中，协同仿真从合成器到 LNA 级的 RF 模拟前端模块，与数据转换器、可编程状态机等下游数字逻辑进行交互。
4. 热分析
通过热模拟映射表面热通量和梯度，指导热通孔/散热器的放置，防止在使用寿命期间出现性能下降的热流失问题，研究最大功耗和环境温度下 RFIC 的自热。
上述最佳实践避免了昂贵的射频旋转周期，需要硅精炼，典型的微波 IC 工艺具有较长的制造交付周期。这些步骤最终导致接下来讨论的优化布局。
射频电路布局指南
对于成功的 RF 实施 - 布局是硅集成电路 (IC) 和印刷电路板指导制造和组装细节的关键方面：
1. 寄生最小化
在接地层上保护高速信号走线，同时散布电源滤波器盖，防止寄生耦合噪声进入或泄漏发射故障，从而导致通过建模反馈突出显示的尖刺敏感接收路径。
2. 阻抗控制
调整微带耦合线配置中的线宽、间隔和层压介电常数，以通过精确的几何形状匹配目标差分阻抗，消除反射，从而实现向负载的高效电力传输。
3. 散热考虑
在高功率耗散块（如 LNA、功率放大器）上结合密集的散热片和散热器，连接到可用的电路板热层，防止在温度下急剧降额，最大限度地减少偏置电流，保持低噪声系数。
4. 混合信号分区
使用滤波器应用独立的电源和接地域，同时将敏感的模拟输入置于远离数字逻辑部分的位置，防止耦合或接地偏移问题，这些问题会破坏低电平信号，从而降低整个系统的信噪比和可靠性。
5、外壳屏蔽处理
通过板级屏蔽罐以及外壳通风孔处的孔径处理，通过符合 CISPR 32 等国际排放标准的辐射模拟来解决泄漏排放或进入问题，防止最终产品集成中的 EMI 问题。
上述早期制定的指导方针允许成功的制造交接，而不会出现需要昂贵的重新设计的意外故障。接下来我们检查重要的测试需求。
测试要求
提供稳健的设计性能需要涵盖各个方面的系统测试：
1. 直流参数验证
通过晶圆分类探测匹配模拟预测，确保定制 IC 模块在稳定的直流电压下满足静态电源电流消耗目标，从而识别不良芯片。
2. 指定功能确认
在提交 PCB 制造和完整系统集成之前，通过组件或晶圆级激励响应测试来验证射频放大器增益、滤波器响应、合成器锁定范围。
3. 信号完整性分析
通过信号分析仪等分析工具或定制的测试夹具确认误差矢量幅度、调制失真等频谱性能在限制范围内。
4. 环境压力筛选
涵盖温度浸泡、湿度、振动和跌落冲击等极端操作测试，确认在产品使用寿命内建立了足够的设计裕度，而没有出现现场故障。
5. 合规标准测试
通过第三方实验室获得 FCC 批准的辐射、传导发射等认证，确保产品不受外部干扰，同时在通过严格的 EMI/EMC 测试程序部署时，产品本身不会成为附近其他电子设备的干扰源。
上述早期制定的最佳实践测试方法可以在扩大生产规模之前降低风险，并在初始设计周期本身中检测到漏掉的逃逸者。
概括
在这篇入门文章中，我们介绍了关键概念、架构指南、建模要点、布局注意事项以及验证测试需求，为设计团队在开发强大的射频系统时提供正确的知识，将应用需求（例如传感器节点的最低功耗或针对卫星链路的最高数据速率）转化为实现利用可用 RFIC 技术选项的现实。
采用这种结合模拟/数字技能的结构化跨领域思维，可以创建创新的无线解决方案，从而释放跨行业的应用可能性，例如自动交通、蜂窝基础设施、空间通信和工业自动化，利用拥挤的低于 6Ghz 范围（如 60 Ghz、100 Ghz）之上的免许可频段用于超高带宽5G服务。
随着物联网连接的不断普及，加上采用多功能软件定义无线电的基础设施升级周期，优秀的射频系统设计人员的角色将继续显示出 Yole Development 和 Markets and Markets Research 等研究机构的高行业需求预测。这为工程人才提供了一个宝贵的机会来配备适合这一增长机会的利基能力。
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