射频原理和组件介绍：学习如何在频域中分析射频（RF）问题

什么是频域？为什么它对射频（RF）设计，分析和测试如此有价值？
熟练掌握射频（RF）设计过程中最基本的步骤之一就是学会在频域中进行问题思考。对于我们大多数人来说，我们在电路和信号方面的早期经验绝大部分都处于电压和电流随时间变化的范围内，这些电压或电流相对于时间是静态或者动态的。例如，当用万用表测量电池电压时，我们有一个静态量，而当在示波器上查看正弦电压时，我们有一个时变量。

另一方面，RF是频率的世界。我们不会向天线发送静态电压，并且示波器通常不是捕获和可视化无线通信中涉及的信号处理类型的有效工具。确实，我们可以说时域对于RF系统的设计和分析来说根本不是一个方便的领域。我们需要一个不同的范例。

傅里叶变换
傅立叶变换是导致这种替代范例的数学路径，因为它提供了根据信号的频率内容描述信号的精确方法。

此图显示了方波（蓝色）中的某些频率成分（红色）

在射频的情况下，傅立叶变换可以处理极其复杂的信号变化，并将其转换为频域分量，该分量比原始时域波形提供的信息要丰富得多。

计算傅立叶变换或离散傅立叶变换（DFT）所涉及的细节并不简单；但是，这时我们不必担心。即使您对基本的数学过程了解甚少，也可以理解和采用频域分析技术。

傅立叶变换产生的表达式揭示信号的频率内容，而DFT产生相应的数值数据。但是，在实际工程中，图形表示通常更方便。最终，这些频域图变得像示波器迹线一样正常和直观。

“频谱”
频域图称为频谱， 1 MHz正弦波的理想频谱如下图所示：

1 MHz正弦波的理想频谱图

垂直箭头表示在1 MHz处存在一定量的“能量”。 箭头的线条部分非常细，因为此理想化信号完全没有其他频率分量-所有能量都恰好集中在1 MHz处。

如果我们使用求和电路将这个完美的1 MHz正弦波与一个完美的2 MHz正弦波结合起来，频谱将如下图所示：

一个1 MHz正弦波与一个2 MHz正弦波结合起来的频谱图

该频域图提供了有关我们新信号频率特性的非常清晰的数据。 如果您主要对电路的非瞬时频率相关行为感兴趣，则频谱可为您提供所需的信息。 相反，时域波形并不简单，上图中的一个1 MHz正弦波与一个2 MHz正弦波结合起来的时域图如下图所示：

一个1 MHz正弦波与一个2 MHz正弦波结合起来的时域图

不太明显的是，上面的轨迹线是将一个频率为f的正弦分量与第二个频率为2f的正弦分量相加的结果。

理想与现实
上面显示的细垂直箭头频率分量是理想的数学构造结果；而真实的频谱测量看起来像这样：

一个1 MHz正弦波与一个2 MHz正弦波结合起来真实的频域图

为什么会有这种差异？首先，是由于测量系统的分辨率受到限制，并且这种限制会固有地损害原始信号中可能存在的任何“理想”质量。但是，即使我们拥有无限精确的测量设备，由于噪声的影响，频谱也会与理想的数学版本有所不同。

可以产生上一部分所示的“纯”频谱分量的唯一信号类型是理想的正弦曲线，即没有噪声，周期或幅度也没有变化；而与理想正弦波特性的任何偏差都会引入额外的频率分量。

一个直观的例子是相位噪声：期望现实世界中的振荡器总是产生完全相同的频率是不切实际的。周期的实际持续时间不可避免地会有（希望很小）的波动变化，这种波动变化被称为相位噪声。如果您收集涵盖一千个周期的数据，然后执行频谱分析，则可以有效地对那一千个周期的频率内容求平均。结果将是上面图中显示的频谱形状：而波形的宽度则对应于与标称频率之间的平均偏差。

频谱测量
频域图提供了一种非常方便的讨论和分析RF（射频）系统的方法。调制方案，干扰，谐波失真-甚至是在一张便条纸上绘制的基本频谱也可以真正帮助弄清情况。

但是，要成功设计RF（射频）系统，通常我们需要更复杂的东西。更具体地说，我们需要一些能够为我们提供实际信号频谱特征的东西。这对于表征现有系统的功能很重要，但是通常更紧迫的需求是诊断和解决方案，即该器件为何不起作用以及我们如何修复它。

数字示波器提供“ FFT”（快速傅立叶变换）功能，这是获得频谱测量值的一种方法。但是，用于实际频率分析的首选工具称为频谱分析仪。这是一台专门设计用于接受高频输入信号并显示该信号的频域表示的测试设备。掌握频谱分析仪的实践经验是熟悉实际射频工程方面的重要的第一步。

频谱分析仪的实际测量频谱图

总结

1、工程师可以通过时域或频域分析工具来与电信号进行交互。在RF（射频）分析的情况下，通常在频域中分析工作效率更高且更直观。

2、频域分析自然地抑制了在射频（RF）设计和测试中通常不重要的细节，同时强调了我们需要关注的特性。

3、频域图称为频谱。频谱可以方便地传达例如实际信号的调制方案或实际信号遇到干扰引起的传输问题的显着特征。

4、理论上理想的频谱通常由细的垂直箭头组成，这些箭头对应于理想化的固定频率正弦曲线。

5、现实世界中的测量设备和现实世界中的RF（射频）信号由于总是存在缺陷或者非理想特性，从而导致更宽的频域波形。

6、频谱分析仪是RF（射频）设计实验室必不可少的设备。这些设备提供频域图以及各种信号分析功能。