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当我刚毕业入行时，我问前辈，“什么是射频? 想做好射频工程师应该怎么做？”
前辈说：“你干着干着就明白了”。
工作了十几年，我参悟一二。要想做好射频工程师，还是得回到最初的问题，什么是射频？
射频=电磁波？
“射频”有很多“角色”
在医疗行业，射频是能够刺激胶原蛋白产生、淡纹、抗老、溶脂的美容仪的高科技，某款网红射频美容仪价格 3000元+。
在消费电子行业，射频是藏在手机里传输4G/5G、Wi-Fi 信号的重要载体，一款智能手机的价格在1000-1w元+。
我们之所以觉得射频有点神秘，是因为不能直接用眼睛、用耳朵感知到它。那射频到底是什么？又是怎么形成的呢？
初中物理课，我们学过安培定律，电流通过导线会在周围生成磁场。
物理学家麦克斯韦在安培定律的基础上，提出电磁波：振荡的电场会产生振荡的磁场，振荡的磁场又会引发电场的变化，二者在空间中不断相互作用并传播，从而形成电磁波。
射频其实是“一部分”电磁波。
“一部分”
频率就是衡量这“一部分”的关键角色。
频率是电磁波中交变电流每秒钟的振荡次数，单位是赫兹Hz。如图1-1的电流波形，在1秒内有10个周期，则其频率为10Hz。
（图1-1）
广义上，射频是频率范围在3 kHz到300 GHz的电磁波。
为什么是这“一部分”呢？
射频英文是Radio Frequency，又叫做无线电频率，就是能传播无线电信号的频率。
•电磁波频率低于100 kHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输。
•电磁波频率高于100 kHz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力。
射频是具有远距离传输数据能力的电磁波，2G/3G/4G/5G移动通信信号、 Wi-Fi信号、卫星、雷达信号等都在射频上传输。射频像一个看不见、摸不着的管道，无需要介质就能传播数据，在不同介质中传播速率又有所不同。
射频频率范围从3KHz-300GHz，相当于交变电流一秒钟震荡3000次-300亿次，这范围非常大。所以，为了方便管理，相关部门又将频率分为甚低频、低频、中频、高频……极高频，不同频段用途也相对不同。（如图1-2）
（图1-2，中国无线电频率划分）
电磁波除了频率外，还有个很重要的衡量单位——波长。
波长（λ）是一个震荡周期的传播距离，在速度一定的情况下，波长和频率成反比，λ = c / f。
•频率就会越低，波长越长，传播距离越远，指向性就会较弱；
•频率越高，波长越短，传播距离越近，指向性会更强。
根据波长，射频又被分为P波段、L波段、S波段……毫米波。（图1-3）
（图1-3，电磁波波长和频率的分类）
从这里可以知道，我们常说的毫米波其实就是波长在1mm-10mm的电磁波。
这就不难理解，毫米波具备穿透力强，但传播距离近的特点。
射频如何作为“看不见的管道”传输无线信号？
无线信号诸如，4G/5G信号是如何通过射频传输的呢？
我们面对面聊天，声音信号是通过空气传输到耳朵，声音是低频模拟信号，这样的信号传递距离有限。如果不依靠“黑科技”，想和远方的朋友、家人聊天，喊破嗓子也没用。
那4G、5G无线网络、智能手机又是怎么把我们声音传的那么远呢？
这时候具有远距离传输能力的射频就登场了。
我们打电话、发短信，其实是声音、图像通过手机里的基带单元和射频单元“配合工作”通过一定频率的射频，传输给基站，基站再通过射频传送给远方的手机中。（如图1-4）
这个一定频率，是国家相关部门规定的频率，在5G时代，中国移动使用2.5 GHz至2.6 GHz，4.8GHz至4.09GHz频率等，中国电信和中国联通使用3.3 GHz至3.6 GHz频率等。
信号分为模拟信号和数字信号，模拟信号是时间上连续的信号，数字信号就是时间上离散的0、1信号。我们打电话时，我们发出的声音就是模拟信号，但这样的信号抗干扰能力差，频率低，不能直接在射频传输。
（图1-5，数字信号与模拟信号差别）
（图1-6，射频超外差系统）
首先我们先看基带电路部分：
基带电路对声音信号“打包处理”
我们在发快递的时候，一般要将货物包装，才能保证长时间的运输能够不破损，不丢失，合理的包装方式，还能更节省空间，让货物传输效率更高，基带电路可以看作是将原始信息“打包处理”的过程。
在我们拿起手机，通过4G/5G网络打电话时候，手机中接着电流的话筒可以把声音振动转换成振动规律与之相同的振荡电流，生成模拟信号，基带单元会对模拟信号进行采样、编码成能“代表”声音的数字信号，然后再调制成更高效传输的模拟信号，给射频电路。
① 采样：把连续的声音信号，分割成多个采样点。如何采样能保证不遗漏信息？早在1928年，奈奎斯特定理解决了如何将模拟信号转化为数字信号的问题。在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号就能完整地保留原始信号中的信息。
② 编码：将这些连续的语音信号采样之后要进行编码，转换成0-1信号。编码分为两部分，信源编码和信道编码。
信源编码是将声音和画面转化成0、1信号，比如对于音频信号，一般使用AMR语音编码，对于视频信号，一般会用MPEG-4编码（MP4），还有H.264、H.265编码。
信道编码是将额外的（0、1）比特数据加到“信息队列”中，对信源信号的传输起到一定“保护”作用。这些额外的比特数据可以用于纠错，也可以用于抗干扰，有时也作为识别或均衡所需的训练序列（training sequence）。在2G-5G时代用的Turbo码、Polar码，LDPC码等信道编码方式。
③ 调制：编码好的数字信号，是非常长的0、1数列，这部分的调制是将已经编码好的数字信号，通过改变“频率、相位、振幅”调制回连续的模拟信号。
这部分调制称作做数字调制，一般可以分为幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK），以及QAM（正交振幅调制）等，即分别通过调整幅度、调整频率和调整相位，以及同时调整幅度和相位来将数字信号转换为模拟信号。（如图1-7）
（图1-7，数字调制方式）
QAM是使用I和Q两路正交的模拟信号来表示数字信号的二进制比特，一般可以分为4QAM、16QAM、64QAM等，即一个符号位可以传输的数据数不同，诸如16QAM可以传输4个比特信号，64QAM可以传输6个比特信号，QAM的阶数越高，能传输的比特信号越多，因此QAM调制具有更快的速率，更高传输效率。
目前5G用的编码方式主要有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM，Wi-Fi7的调制方式最高已经实现4K QAM。
经过采样、编码、调制的模拟信号，让信号的准确性、抗干扰性更强，但是频率依然较低，达不到射频传输的要求，这时候射频电路就要开始“工作”了。
射频电路：接收和传输信号的“工厂”
手机的射频电路一般分为发射机电路和接收机电路，发射机电路是将调制后的信号经过变频、滤波、功率放大和天线辐射等过程，最终转化为相应的射频频率并传输到远方基站，接收机电路是将从基站接收的信号转化为声音信号的逆向过程。
组成射频电路的射频器件主要包括：
•混频器：用于改变信号的频率
•振荡器：以特定频率产生波形的设备
•滤波器：允许特定频率范围内的信号通过并衰减其他频率信号的设备
•放大器：用于增加射频信号的功率
•天线：用于发送和接收射频信号
在接收机电路部分，一般可以简单看作如下工作：
变频（混频器+振荡器）：经过基带电路调制的模拟信号，还是低频信号，所以需要先通过上变频变到需要的射频频段，通过本地振荡器生成的高频信号与基带信号通过混频器混合，生成能够在射频系统中传输的射频信号。但在上变频过程中会产生不需要的信号成分。
经过“变频”就可以把我们低频的声音信号，调频到相关部门已经规定的“4G/5G频率“上了。
滤波：滤波器能滤除信号通路中不需要的频率分量,并保留需要的频率分量,是射频前端中的核心器件。滤波可以得到更高的频谱效率。如果没有滤波，将会出现比发送信息所需的频谱宽得多的频谱。滤波器可分为金属腔体滤波器、介质滤波器、声学滤波器和 LC 滤波器。基于性能、成本和尺寸上的综合考虑,声学滤波器正作为射频前端滤波器的主流类型。
功放：经过变频、滤波的射频信号，还要通过功率放大，才能有足够的能力经天线向远方传输。功率放大器是射频系统中最基本的有源器件，它具有非线性强、功耗大的特点，其工作性能直接影响着整个通信系统的信号质量和运营成本。例如，功放的尺寸与效率直接关乎无线通信设备的制造成本与耗电状态；输出功率决定了无线信号的传播距离；线性度决定了信号失真度，决定着通信质量。
天线：用于发射和接收电磁波，最基本的也是要依靠电磁感应原理，通过有规律的电场循环产生可解读的电磁波信号或通过接收电磁波信号再将其转化为电信号。随着无线通信技术向更高速率、更高频率演进，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多根天线发送，多根天线接收；Massive MIMO技术MIMO技术也对天线设计提出更高挑战。
在实际的无线通信射频电路中，由于要支持多个4G、5G频段，其实要经过多次滤波、变频、功放的过程，才能够满足无线通信的频谱、带宽需求，真正实现全球通话。
手机的射频接收电路 通常是指在基站中接收射频信号“还原成”声音信号过程，原则上射频接收电路是发射电路的逆过程，但在实际设计过程中往往更为复杂。
接收电路首先把输入的射频信号下变频为中频信号，然后进行解调。解调信号和恢复原始数据的能力通常难度较大，发射信号经常被空气噪声、信号干扰、多径或衰落等因素影响而遭到损坏。于此同时，接收电路需要恢复载波和符号时钟。在接收电路中， 符号时钟的频率和相位（或计时）都必须正确，才可以保证成功地解调比特和恢复已发射信息。
射频器件测试的“关键参数”都有什么？
对于放大器、天线等关键射频器件，或者整个射频系统，如何进行准确的测试呢？一般我们会用到信号源、频谱仪、网络分析仪进行测试，射频信号发生器和分析仪可用于测试现代发射机和接收机,矢量网络分析仪可以精准地表征射频前端和元器件的性能,关键参数包括增益、平坦度、相位噪声、EVM、ACPR等。
增益和平坦度：功率放大器的增益定义为信号输出幅度与信号输入幅度的比值。射频电路设计中，增益通常用 dB 作为单位，信号的输入功率和输出功率通常用 dBm 作为单位。在工作频段内，理想的 PA 增益应该是相同的，但是实际情况下，带内不同频率，PA 增益并不相同，甚至相差很大。用带内最大增益与最小增益差来衡量增益平坦度。
ACPR：对于功率放大器，邻 信 道 功 率 比（Adjacent Channel Power Ratio, ACPR）是一项非常重要的衡量功率放大器线性度的指标，用于衡量主功率泄漏至邻信道的功率量，其值越低，说明邻信道功率泄漏抑制得越好。
S参数：用 S 参数测量被测件（Device under Test, DUT）性能，不存在特定的开路或者短路条件限制，同时可以避免该条件下引起的阻抗不连续而导致的大幅度电压与电流波散射。不考虑功放内部结构，整体考虑其输入输出端口，作为一个二端口网络分析，使用 S 参数表征端口特性。例如，功率放大器的 S 参数使用矢量网络分析仪进行测试。在进行测量前，需要选择好仪器的显示窗、扫描频段、扫描点等等，然后需要使用与仪器相匹配的校准件对仪器进行 SOLT 校准。SOLT 校准后，开始对功率放大器进行 S 参数测量。
当然测试的参数很多，随着6G时代的到来，对射频器件、系统的要求也有更高的提升，所以，李工还有最重要的事想要告诉你：
“工欲善其事，必先利其器”
是德科技提供广泛的信号发生器供用户选择，频率覆盖基带到 110 GHz（如果与扩频器搭配使用，可进一步扩展到 1.1 THz）。从基础功能到高级特性，每款信号发生器都为同级别产品树立了性能标杆。
是德科技还有众多先进的台式、手持、通用型和可扩展的模块化频谱分析仪（信号分析仪）任您选择，所有分析仪均配有丰富的专用软件。将您的射频频谱分析仪提升到新的性能水平，让频谱分析（信号分析）变得轻而易举。无论您的宽带应用是5G NR、WLAN、卫星、雷达、电子战，还是您需要进行什么频率范围（射频、微波或毫米波）的测试， 是德科技的 M9484C VXG 信号发生器和 N9032B/N9042B 信号分析仪均能满足您的需求。
另外，全球超过 70% 的工程团队选择是德科技的网络分析仪：
•使用 PNA 系列台式网络分析仪实现无与伦比的卓越性能 - 频率高达 120 GHz，可扩展至 1.5 THz。
•采用 ENA 网络分析仪降低测试成本 - 频率高达 53 GHz。
•利用 PXI VNA 加速多端口设备的测试 - 频率高达 53 GHz，端口数量多达 50 个。
•以紧凑的 USB 形式获得零功能妥协的网络分析仪 - 频率高达 53 GHz。
•使用矢量组件分析仪进行包括 EVM 和 ACP 在内的完整特性表征 - 频率高达 67 GHz。
6G 对射频系统提出哪些挑战？
5G已经进入后半场，6G即将登场，从目前预研的成果看，6G不仅具备更高的频段、更高的速率要求，还具有毫米波甚至太赫兹、通感一体化、智能超表面等技术，这些将会为我们的工作提出新的挑战。
但李工告诉你，先学好基础知识，新技术才能迎刃而解！
通信感知一体化 （ISAC ）：从字面意思可以理解，是要既具备通信又具备感知的能力。通信是基本的功能，感知可以理解为像“雷达”一样，感知周边环境的状态，包括位置、方向、高度、速度、距离，甚至捕捉事物的细微变化，比如人的手势，无人机行驶的方向等。雷达和传统的4G/5G通信都要依靠射频传输信号，拥有感知功能以后，射频系统不仅要传播信息，还要通过探测和分析接收到的反射信号来进行高精度的感知工作。对于天线来说，在大规模和超大规模天线的通信感知一体化系统中 ，需要进行有效的多天线波形设计，更好地利用空间分集 ，提高通信容量，从而为感知提供多样化的空间变换信息，提升感知性能 。
智能超表面(RIS)：RIS经过电磁超材料技术发展而来，电磁超材料是通过人工合成的方式，制作成的具有一定电磁性质并且以周期性结构进行排列的复合材料，经研究发现，可以将 RIS 代替传统的相控阵来进行发射机的设计。RIS表面上规则地排列了大量的电磁单元，通过对每个电磁单元施加控制信号，可以动态地调整电磁单元的电磁性质（如容抗、阻抗和感抗等），以完成对空间电磁波的动态调控，进而智能地调整无线传输信道并重构无线传播环境超表面对电磁波的调控能力驱动了各类前沿电磁功能的设计与实现 ，通过改变RIS 上每个电磁单元的相移即可实现对波束的灵活控制。
