射频前端设计的中庸理念

射频前端设计的中庸理念
（摘要）

一、前言
从电原理角度看，任凭知识更新如何一日千里，射频电路的发展基本上处于一种“以不变应万变”的状态，基本上保持着数十年一贯制。变化方面主要集中于元器件性能的改善、设计和制造工艺的规范化和集成化，诞生了许多专用的IC，或者针对新的调制方法特征对电路设计所提出的新要求而诞生新的调制环节。总之，射频电路不象信息技术领域里的许多其它方面的技术那样不断诞生各类全新的理念和方法。
如何理解射频电路的这种状况?这是因为产生射频信号的方法几十年来和在可预见的未来，几乎独一无二，这种基本的方法就是利用可控振荡电路产生射频电磁波。或者说，由于射频电磁波的形态属于自然形态，具有科学范畴的唯一规律特征，从而导致底层应用方法的有限，也导致了以此而展开的各个为射频辐射服务的环节设计方法的有限，进而导致射频电路设计技术的有限。从另外一个角度看，意味着射频电路的设计是最贴近自然之科学规律的环节设计。在这个基础上，引出射频电路设计的一个重要的理念——中庸设计理念。
二、关于中庸理念的基本说明
在正式论述射频电路的中庸设计理念前，先行介绍构成中国及亚洲文明主体的“中庸之道”。
2000多年前，一代圣贤孔子在教孟子等学生练习书法时提出“中庸之道”的最初版本，意即：首先找到字体的平衡点，然后以此为整个字体的意念中心并控制走笔，从而保证所写书法圆润而饱满。孔子的这一理念经过无数代后继学生的发扬光大并结合自然界的划一规律，提炼成哲学理念——针对万事万物的处理方法或解决之道，首先要找到其平衡点，然后以此为核心地对相关事物加以分析和解决，是事物在一种稳定的状态下加以解决。这一哲学理念，就是著名的“中庸之道”。
无论我们从事什么工作或对待什么性质的事物，可以说都属于具体的矛盾体，认识并发现矛盾体的核心，辅之于保证事物稳定发展的处理方法，就是儒家所倡导的“中庸之道”。射频电路的设计也不例外。从我们接受某项射频收发器的那一刻起，我们就开始面临如何有效解决设计中所面临的一切矛盾并逐一解决。这一对矛盾事物的分析与综合过程虽然存在于一切事物和技术设计中，但在射频电路的设计方面则更显得具有典型的指导意义。这种典型取决于射频电磁波属于一种自然的，非人力所能改变的形态，而“中庸”理念则正是以自然的矛盾规律为基础的哲学法则。根据基本的自然规律之“划一”性，“中庸”理念和射频电路设计之间存在者密切的联系和方法相关性。
三、认识射频信号的基本特征规律
凡从事射频电路设计者，都知道射频信号的基本特征——电场和磁场交替变化的能量移动。也知道这种交替规律如果用数学图形表示（或反映到测试仪器显示屏上），是两条对时间展开的正交曲线。然而，极少有人在实际的设计过程中将这种曲线和圆周联系起来。
基本理论告诉我们，理想的不加调制的射频信号之时间函数曲线是一种简谐波，也就是质点作圆周运动的展开曲线。基本的实验规律告诉我们，贯穿于电路中的射频信号越接近理想的简谐波形态，相应的无线通信质量便越高（包括信纳比、失真度、杂散辐射、临道抑制、接收灵敏度、调制灵敏度等）。同样，射频信号在通信终端内部的传输和处理过程中，越接近理想的简谐波特征，电路的相关指标特性便越好，甚至从某个角度可以说，射频电路设计中的全部工作，就是如何使电路的各个信号处理环节在预定设计指标的基础上满足输入输出呈现简谐波状态，从而实现高质量的设计目标。
所谓“理想”的射频载波，其实就是自然的电磁波。凡是在空中传播的电磁波，在足够短的时间内一定呈现出简谐波形态。这是个很实质的概念，因为我们通过仪器所观察到的无线信号波形往往呈现不规则的曲线状态，这种情况通常在两种情况下产生：一是调制，二是射频电路处于不正常的工作状态。后者是我们后续将要讨论的，而前者则是我们这里首先需要强调的——调制后的射频载波依然是简谐波的组合，只是或频率或幅度或相位随着调制信息内容的不同而变化，但在足够短的时间内考察射频载波，则一定呈现简谐波状态（或其一个局部）。这方面属于基础知识，不再赘述。
四、认识调制解调的基本核心
许多射频电路的设计高手在电路调试中通常将加载标准的信号和加载预定调制信号分开。这里的标准信号，是由仪器输出的简谐波。如果电路设计达到一定的质量标准，则待调试环节的输出也一定是简谐波。从表面上看，这一调试手段似乎仅仅是确定电路某个环节的失真度指标，但实际上则是电路整体协同工作的基本需要。
然而，当我们完成简谐波输入前提下的电路调试后，往往并不能保证设计成果能够用于实际通信，因为无线射频通信的基本内容，是将需要传输的信息耦合到射频载波信号中并在接收端将耦合的信号还原，这就是射频电路的核心工作内容——射频载波的调制和解调。
利用仪器观察空中射频信号频谱，可以清晰地看到其随同调制信息的不同而变化。如果观察对时间的展开曲线，同样可以看到原本呈简谐波状态的射频载波随着不同的信息调制而变化，构成复杂的、非线性的曲线图。
上述电磁波所呈现的自然简谐状态和我们所观察到的被调制后的复杂载波信号状态之间的关系是什么?这个关系就是傅里叶法则所描述的：“任何非线性曲线都可以分解成若干个简谐曲线”。换句话说，被信号调制的射频载波是由若干简谐波合成的结果，或者说是由若干个圆周之展开曲线合成的结果。
如果我们将具有规则简谐波状态的载波信号所对应的圆周看作“主圆”，则被调制的载波就相当于在“载波主圆”上附加了随着不同调制信号特征而具有不同特性参数的“子圆”。
这里，我们在傅里叶法则的基础上通过将信号状态形象化表征的方式来归纳射频信号特征，从而为射频电路的设计方法建立一个综合而有效的基础，这个基础是以上升到哲学理念高度而给予的归纳，因此具有相当的普适性。
从后续的论述中我们还可以理解到：“中庸”理念的形象化表达方式，同样是圆周的形态。
五、射频电路设计的分析与综合
对于信息技术，分析与综合是两个相互衔接及融合的过程，也是基本的设计方法。综合的过程，就是将分析的结果融合于设计中。由此可见分析在设计中的重要性。尽管完成射频电路设计所涉及的分析对象包括多个方面，但对信号的分析则是最基本也最重要的方面。当然，如果我们的设计任务仅仅是在仿照已经成熟定型的射频电路，大可不必作过多的对象分析，只要明确诸多技巧即可完成一些高质量的设计；但如果我们的应用开发属于教新领域的产品研发，则必须进行充分的对象分析。
在关于微波技术的理论基础中，有个十分突出的基准，那就是将“简谐波”作为各个环节的激励源，只是我们在没有意识到射频电路设计之“中庸”理念之前，是很难领会这种“简谐波”形态之激励源内涵的，无论从那本专业著作或教材中，我们所能理解的也就是一种“假设”，但技术整个微波段电路设计的概念都建立在这种“简谐波”激励源的假设基础上。表面上看，似乎只有“简谐波”作为激励源方能明确地对微波电路特性给予透彻的分析，然而，这种“唯一性”却恰好是唯一正确方法的体现。
由于射频电路的每一个特征环节既是上一环节的负载，又是下一环节的激励源，因此这种“简谐波”的假设具有重要的意义，或者说，整个射频电路的典型工作状态，就是“简谐波”贯穿始终的状态。当所设计的电路能够正常地工作于“间歇波”状态，则剩下的就是一些非简谐波的处理环节了。在这个意义上看，整个射频电路的设计，就是确保各个环节对非线性信号的处理，使其以“简谐波”的形态贯穿于电路。
进一步分析不难得知：在射频电路的设计中（包括各类设计方法和理论技术），都是以“简谐波”为基础，或者说，都是建立在圆周态信号之基础上。例如阻抗圆图、共扼匹配，从简单的双端口电路到复杂的多端口环节及相应的S参数，无一不是以这种圆周态信号为基础，而诸如电感、电容等元件，则是射频电路中最常用也是最基本的用于校正信号非线性，使其“回归”自然的线性之目的。
在这里，我们无暇论述“中庸”理念的哲学涵义，但正如上面所指出的，“中庸”理念的几何表征形态为圆周形态，而圆心则是整个平衡体的核心。在射频电路中，这一核心既体现在基本的设计方法上，也体现在电路的工作原理上，即使是复杂的信号调制过程，也是这种圆周间相互耦合的过程。
用分离元件来构造射频电路，“中庸”理念尤其重要，而对于广泛采用集成电路来完成射频电路的构造，则相关理念体现在两个方面，一是物理上独立器件之间的联结；二是射频信号处理用的集成电路设计。
特别值得指出的，是射频电路设计中及其重要的良好电源和地系统，其中所蕴涵的“中庸”理念尤其深刻。
六、线性和非线性之间的“中庸”理念
最后，我们以线性和非线性电路在实际设计中的人为错误意识之纠正在结束本文。
常听到一些射频电路设计高手强调：小信号的射频电路设计者常常难以胜任大信号射频功率放大电路。在他们看来，从事小信号射频电路开发和从事功率放大电路设计属于两个差别很大的专业。在实际中，这种区分也明确地体现在实际研发工作的专业分配中。然而，当我们明确了小信号和大信号之射频电路的技术特征本质后，对研发中的专业划分将看得更为透彻，这种本质实际上不过是设计内容的侧重点而已。
小信号工作状态下的电路元器件基本工作于线性状态，设计者通常不需要针对元器件的线性失真作繁琐的补偿或矫正，在实际调试中，除了诸如调制解调环节外（主要为VCO环节），不需要过多地将精力用于整个网络的非线性补偿。但在大功率信号条件下，由于元器件的功率耗散等特性决定其非线性特征随着功率的增加而增加，必须要求设计者对电路进行一定的处理。或者说，元器件企业在现行技术状态下无法生产高质量的大功率器件，只能采用环节式设计方法来弥补。例如，现在很多元器件生产企业能够迅速推出单片IC式的无线收发信机，但却无法推出单片式功率放大器。这其中虽然与大功率下的器件散热等工艺有关，但其中的一个重要方面，就是无法在一个单片基础上做到保持线性地将信号放大到预定值。
由上述可见，如果将信号统一到“简谐波”这一核心上，小信号的射频电路和大功率的射频电路的设计核心是一致的，其目的均属于确保电路工作于线性状态，或者说工作于“圆周”信号形态下。
　

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好贴

我晕

哲学是一切科学的根源

中世纪及近代许多科学家又是哲学家，要知道国外的工学博士可是doctor of philosophy！

唉，善于做艺术类和创造类事业。

好。呵。倒。行。

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