《射频微波芯片设计》专栏适用于具备一定微波基础知识的高校学生、在职射频工程师、高校研究所研究人员，通过本系列文章掌握射频到毫米波的芯片设计流程，设计方法，设计要点以及最新的射频 毫米波前端芯片工程实现技术。

本文共分为四个部分：前言——讨论射频知识体系架构——从系统视角浅析射频基础；射频器件基础——从基础元器件角度来丰富射频概念；芯片设计环境搭建——怎么快速搭建RFIC/MMIC设计环境。(全文阅读大概需9分钟，如果您能静下心阅读15分钟以上，掌握了（或者复习了）射频微波基本概念，能自主搭建射频芯片设计环境，同时如果能得到您的收藏与打赏将是我熬夜肝这篇文章的最大荣幸)

前言

大家能在浏览到这里，说明您还是多想在温习温习，学习学习射频微波基础知识以及芯片设计环境搭建的。不过不得不说，面对于一个成体系的微波射频知识，想要通过一篇博文就把枯燥乏味的射频微波基础理论知识讲清楚讲明白，并让读者内化成自己的知识还是极具挑战的。当我熬夜肝这篇推文的时候，心里也似十五个吊桶打水——七上八下的，生怕写不好从而浪费了大家这宝贵的几分钟时间。为了让大家阅读完后不会觉得“听君一席话，如听一席话”，本文尽可能地把常见的射频基础知识囊括进来，具体按下图所示的行文结构，您可以按需阅读。

需要说明的是，本文主要目的是：

1、给入门萌新们梳理基本的射频微波知识体系架构，掌握基础的射频微波知识；

2、给工作繁忙的一线工作者整理常见的射频基础概念，收藏后便于复习查找；

3、让大家读完后能容易地认识一些基本的射频前端电路架构和指标；能够基于ADS和HFSS提取电路的电感电容值；能够基于ADS和Cadence Virtuoso搭建芯片设计平台。

当然，还需要说明的一点就是，由于笔者水平有限，为了避免部分研究生同学和科研从业者把本文当成了科研爽文来阅读，养成了不好的学习方式，建议从事科学研究的同学可以略过本博文或者仅作学习参考（这就像很多程序猿一样，虽然喜欢他们通过博客总结学习技术，但真正要去实战了还是得依靠逻辑严密的体系化的知识作为指导）。这里给大家推荐几本笔者认为比较好的书吧：

--Razavi的《RF Microelectronics》（做RFIC的基本人手一本）

--Pozar的 《Microwave and RF Design of Wireless System》（对，就是写微波工程的那个Pozar）

--Robertson 的《RFIC and MMIC Design and Technology》

射频微波基本概念·系统篇

本小节主要是从电磁频谱，到常见的射频前端系统架构，再到衡量系统的指标（线性的，非线性的，还有就是噪声，动态范围等等），最后简单展开下系统设计指标的演算。

电磁频谱

电磁波属于光波，其满足光速公式：

c=λ·ν

如上图所示，电磁波在自由空间中传播为电场（x方向）与磁场（y方向）正交，并且和传播方向(z方向)垂直，这也就是我们常常叫的横电磁（TEM）模式。当然好问的同学就会问，那么是不是还有横电（TE）模式，横磁（TM）模式呢，答案是肯定的，不过他们常常出现在微波波导或者光纤之中。更多电磁波传播模式（比如TE₁₀模，TM₀₁₁模，简并模等）相关的知识，朋友们可以下来自己查找下资料哈，咋们今儿就点到为止。

关于电磁波，我们在日常工作会把其按照波长和频率两个维度来划分表示，比如微波，毫米波或者X band, V band等。随着军民用电磁频谱的应用需求日益增加，常见的电磁频谱划分与应用如下图所示：

由于雷达使用的频率关系，大家常常会把射频微波分成若干Band，为了方便大家收藏以及后续查找相应的频谱划分，本文整理了如下表所示的射频微波频段（下表数据来自维基百科）

好了，大家看到这里基本上了解了下电磁频谱的基本常识，那么再来讨论一个问题，就是大家发现在第五代移动通信（5G）我们除了用Sub-6GHz频段，还有毫米波频段也会被多次提及，这个频段不仅是我们国家，就连在欧美等发达国家也都采用其作为通信载波。更有甚者，在未来10年我们也或许将迎来6G时代，到时候我们必将使用更高的频段，那么请问为啥现在大家老是想要把无线通信系统的工作频段提高呢？

笔者这里就不献丑来解答了，这里给出一个香农公式给大家参考，大家自行下来寻找答案哦，找到答案后可以在评论区或者来群里大家日常扯淡，讨论讨论：

C=BW·log2(1+SNR)

另外值得注意的是，在使用电磁波作为传输信号的媒介时，随着波长变短（频率变高），电磁波在空气中的传输损耗也会基本呈现加大的趋势，因此在设计系统是需要考虑如下大气窗口图，根据衰减与频率的关系合理设计系统工作频率（系统在定量计算的时候，大家一般会参考Friis公式）。

常见射频微波前端系统架构

在敲定系统使用的电磁频率后，我们还得根据具体的应用背景，来确定射频前端架构。相信读者朋友们都很熟悉常见的射频前端系统架构有哪些，本文就以图为主介绍为辅，分别给出常见的接收机与发射机系统架构：

（1）超外差式接收机架构

如上图所示为一个典型的超外差接收机框图，主要是将天线接收下来的信号通过放大，然后滤波，再混频到中频进行处理。可以这么说，在无线电子系统中，超外差架构由于其结构简单灵活，能够获得较大增益，且可以有较好的频率选择性，在现代无线电子系统中应用极为广泛。

但是，超外差架构也会有其不可避免的缺点：

一是镜像干扰，镜像频率与本振信号混频后所产生的中频信号也会掉在所需要的f_IF上，因此这将会对中频造成直接的干扰（是那种比狗皮膏药还粘的干扰，因为你无法滤除）。那么我们一般就会想办法在中频之前来处理下，比如加一个RF频段的镜像抑制滤波器，将镜像频率提前抑制掉，这个时候如果中频频率较低，对滤波器的带宽要求就比较高了，因为RF与IF的之差（或者低本振系统为之和）得到中心频率就是镜像频率，而其带宽往往要求要比IF的频率还要小，因此在我们上一篇推文中说的滤波器目前占据了很大市场的原因之一，因为很需要这样的高选择的外接滤波器来处理镜像干扰了。为了稍微减轻镜像滤波器的压力，我们往往会把中频做高一些，不过频率变高后又会给基带处理带来压力，所以又会引申出双下变频的超外差结构。

二是临信道干扰，当镜像滤波器带宽较大或者临信道频率处的带外抑制度不够大时，往往会把临信道信号混到中频，进而使得解调到非需要的额外的信号，造成了临信道干扰。而极窄带镜像抑制滤波器又会造成系统集成难度加大。

那么有没有什么好的系统架构，使得镜像频谱被抵消呢，答案时肯定的，即会有镜像抑制接收机架构。

（2）镜像抑制接收机架构

常见的镜像抑制接收机架构与原理如下图所示，本镜像抑制接收机首先就是先将信号在本振端将某一路做90°移相，然后混频后在中频做一次90°移相，使得镜像频率与本振混频后的两路信号相位差180°，而有用的射频信号与本振混频后两路信号相位一样，这样两路信号叠加后便可以抵消掉由镜像频率混下来的干扰信号。（可能看到这里，爱思考的同学就会想到这个和我们上一期讲到的CT，CQ结构耦合矩阵引入零点咋个有点类似呢，都是通过路径变换使得想要处理的两路信号相位相差180°，进而使得被处理信号得以抑制，是的，其实这类思想在射频电路设计中还有很多应用，比如控制本振泄露，谐波抑制等等）

由上图可知，该架构可以把镜像信号完全抑制掉（可能部分同学又会心里想，哎呀老师，你绘制的上图好看是好看，然鹅我就是有点看不懂啊，不知道公式咋个来的，那么笔者这里就先给同学们提个醒“奇变偶不变，符号看象限”；还有就是“积化和差”。相信大家根据这两句心法，去理解上图两分钟，会有新的收获）。

（3）零中频接收机架构

  相信做RFIC的同学们对如下图所示的典型零中频接收机架构十分熟悉，因为其是将射频信号与本振信号直接混频到基带，理论上不存在镜像频率干扰，由于系统架构的优越性，使得系统不需要额外集成体积较大的滤波器，进而使得系统易于集成：

但是常见的零中频架构也会存在一些问题：

Ｉ、Q幅度相位失配导致镜像抑制恶化，和上面提到的镜像抑制接收机一样，虽然理论上不存在镜像频率干扰，但是当I、Q两路信号的幅度相位不匹配时，会存在镜像抑制性能的下降，不匹配随时间的变化很缓慢，可以采用数字电路或者模拟电路对I、Q支路进行校准；

直流失调，由下混频器以及后面各个模块引入的直流失调成分直接叠加到了有用信号上，对解调造成最致命最直接的干扰，甚至有时候直流失调分量远远大于有用信号，使得后端模块直接给弄饱和。因此直流失调就像人体内分泌失调一样，让零中频接收机用起来感觉病怏怏的，极度限制了其应用。

可能看到这里，读者朋友们是不是有一种“听君一席话，如听一席话”的感觉，好像懂了又好像没懂，懂的地方是，确实这个直流失调极大限制了零中频方案的应用，想想看这个直流成分到了基带和信号混成一片，那还不得翻天，那些后面的模拟数字模块绝对遭殃，不懂的是，为啥有直流分量，我射频信号从天线下来不是好好的嘛，我射频信号与本振混频的时候不也是规规矩矩的嘛，咋就老实人总被欺负，咋就有直流失调了呢？？？

笔者这里就简单总结几点给大家解解惑，直流失调的主要原因有：

混频器在所用工艺下的低频１／ｆ噪声较大

针对这个问题，站在RF电路设计师视角，我们一般会想到两个解决方案：一是在混频器设计时及时出具有降低１／ｆ噪声的电路方案，比如动态电流注入，多晶硅电阻加载等；二是在射频前端与模拟基带之间加一个截止频率很低的高通滤波器，直接把直流分量搞掉不让他到基带；当然站在数模混合设计师的视角，还可以通过采样闭环校准来实现抑制直流失调，这个博主本人是个门外汉，就不过多卖弄了，大家下来可以自行去了解。

 本振到射频或者射频到本振信号泄漏，导致直流失调

在混频器中，本振信号通过寄生电容或者存底耦合到了射频端，发生了自混频，直接混出来了直流分量；或者本振信号泄漏到天线端，然后再返回到本振口和新输入的本振信号发生自混频也会有较大直流分量。同理，射频端带来的直流分量来源原理也是如此。

那么解决方案如上文提到，可以在混频器设计时增加一个本振到射频耦合路径，根据泄露信号量设计好耦合量使得泄露信号给抑制掉；同时在混频单元设计时尽可能提高射频到本振、本振到射频口的隔离度。

 射频前端偶数阶非线性扮演碟中谍，导致直流失调

射频前端特别是混频单元的二阶非线性所产生的谐波（一般而言，其他偶数阶产生的谐波功率较小，故分析时主要考虑二阶的）与本振信号产生的谐波，这两个内鬼扮演碟中谍在下混频器发生混频，或者内鬼谐波在端口与信号本身两次混频也会产生直流分量。

好了，零中频结构接收机的直流失调的原因我们就聊到这里，接下来我们继续聊射频前端系统常见架构。

（４）低中频接收机架构

顾名思义，低中频接收机就是将射频信号下混频到频率较低的中频出，然后对镜像干扰进行处理，然后再继续下混频到基带。该方案有两个好处，一是有类似于零中频的优势，可以不用采用较多的高选择性的镜像抑制射频滤波器，便于集成；二是，混频到低中频没有直接到基带，可以避免直流失调。至于如何实现镜像抑制，一般来说可以在低中频设计一些低中频的镜像抑制滤波器；或者在射频信号到下变频器前，先对射频信号进行一次无源多相滤波处理。

好了，由于篇幅原因很多技术细节我们今天就点到为止，至于其他的接收机架构咋们后续可以在评论区留言或者到群里讨论哈，比如基于OOK调制的超再生式接收机，高集成度的亚采样接收机，超宽带接收机等等。下面我们接着简单讨论下发射机的架构：

（５）超外差式发射机

该结构与超外差接收机类似，先将基带信号通过上变频模块混频到中频，然后再上混频到射频，然后通过功率放大器推送至天线，将电路中的信号变换发射到自由空间中。具体原理，本篇博文就不再过多阐述，读者下来可以自行研究研究哈。

（６）直接变频发射机

该结构与零中频接收机类似，先将基带信号通过上变频模块直接混频到射频，然后通过功率放大器推送至天线，将电路中的信号变换发射到自由空间中。

当然射频发射机还有很多新的类型，比如直接用基带信号调制功率放大器然后通过天线发射，这两年IEEE JSCC上面也有很多报道，大家多多地查阅学习。

好了，射频前端的架构层面的基本知识就写到这里，第二部分内容将提炼出几个系统规划时相对比较关心的指标进行浅析。https://www.rfask.net/article-618.html