第 4 章 2：RF 射頻電路

射頻（Radio Frequency）電路是無線通訊的基石：手機、Wi-Fi、藍牙、雷達都離不開它。

一、RF 頻段

頻段	範圍	應用
LF	30–300 kHz	長波廣播
MF	0.3–3 MHz	AM 廣播
HF	3–30 MHz	短波
VHF	30–300 MHz	FM 廣播、TV
UHF	300 MHz–3 GHz	4G、Wi-Fi 2.4G
SHF	3–30 GHz	5G、Wi-Fi 5G、衛星
EHF（mmWave）	30–300 GHz	5G 毫米波、雷達

二、RF 設計的「三大量測量」

1. S 參數（Scattering Parameters）

最重要的 RF 量測量：

   ┌──────┐
   │ DUT  │
─→─┤Port1 ├─→─Port2
←─┤      ├─←─
   └──────┘

S11：Port1 反射係數
S21：Port1 → Port2 傳輸（增益/衰減）
S12：Port2 → Port1 反向傳輸（隔離）
S22：Port2 反射係數

dB 表示：S21_dB = 20 log|S21|

2. 駐波比（VSWR）

$$\text{VSWR} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}$$

VSWR = 1：完美匹配 VSWR = 2：13.3% 反射 VSWR = ∞：完全反射

3. 損耗回波（Return Loss）

$$\text{RL} = -20 \log|\Gamma|$$

RL ≥ 10 dB：可接受 RL ≥ 20 dB：好

三、史密斯圖（Smith Chart）

阻抗匹配的視覺工具：

圓座標系，標準化阻抗
順時針：往源端
逆時針：往負載

任何複雜阻抗都可在圖上找到，加電容/電感/傳輸線可移動到中心（匹配）。

學會用 Smith Chart 是 RF 工程師的基本功。

四、阻抗匹配

為什麼要匹配？

最大功率傳輸
避免反射損失
防止干擾源頭電路（特別 PA、LNA）

L 型匹配網路

兩個元件（L+C）： - 串聯 + 並聯 - 計算簡單但頻寬窄

Pi 型 / T 型

3 個元件，控制更精細，可調 Q。

λ/4 變壓器

特定頻率，傳輸線阻抗變換。

工具

ADS（Keysight）
Microwave Office（Cadence）
Smith chart 軟體
Python skrf 套件（免費）

五、RF 系統架構

接收機（Superheterodyne）

   天線──[BPF]──[LNA]──[Mixer]──[IF Filter]──[ADC/Demodulator]
                          │
                        [LO]

LNA：低雜訊放大器
Mixer：頻率轉換
LO：本地振盪器
IF：中頻

發射機

   [DAC/Modulator]──[Mixer]──[BPF]──[PA]──[Antenna]
                       │
                     [LO]

PA：功率放大器

直接轉換（Zero-IF）

不用中頻，I/Q 訊號直接基頻： - 結構簡單 - 用於現代手機 / SDR

Direct RF Sampling

直接用高速 ADC 取樣 RF： - 簡化前端 - 數位處理多頻段 - 用於 5G 大量 MIMO、SDR

六、RF 元件

1. LNA（Low Noise Amplifier）

低 NF（< 1 dB）
適中增益（10–20 dB）
元件：HEMT、SiGe HBT

2. PA（Power Amplifier）

大功率
高效率
線性度（OFDM 訊號需高線性）
元件：GaAs HBT、GaN HEMT、CMOS（小功率）

3. Mixer

兩信號相乘 → 頻率和差
主動 / 被動
雙平衡 / 雙重平衡

4. VCO / Synthesizer

產生本地振盪訊號
相位雜訊關鍵

5. 濾波器

帶通 / 帶阻
LC、晶體、SAW、BAW、Cavity

6. Switch

T/R 切換
PIN diode、MEMS、CMOS

7. Coupler / Splitter

Wilkinson divider
Branch line coupler
Hybrid

七、雜訊與失真

1. 雜訊指數（NF）

$$\text{NF} = \frac{\text{SNR}{in}}{\text{SNR}$$}

級聯 NF（Friis）：

$$F_{total} = F_1 + \frac{F_2 - 1}{G_1} + \frac{F_3 - 1}{G_1 G_2} + \ldots$$

→ 第一級 LNA 的 NF 主導全系統。

2. IIP3 / OIP3（三階交調截點）

放大器非線性會產生交調產物，3 階最重要。高 IIP3 → 高線性度。

3. 1 dB 壓縮點（P1dB）

放大器增益下降 1 dB 時的輸出功率，定義線性區上限。

4. 動態範圍

從最小可偵測訊號（雜訊地板）到最大不失真訊號的範圍。

八、調變與解調

類比調變

AM（振幅調變）
FM（頻率調變）
PM（相位調變）

數位調變

ASK / FSK / PSK
QPSK / 8PSK
QAM（16/64/256/1024 QAM）：高 SNR 下高效率

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）

把高速資料分到多個正交子載波： - 抗多徑 - Wi-Fi、4G/5G、DVB-T 都用

九、現代無線標準

標準	頻段	速率
Bluetooth 5	2.4 GHz	2 Mbps
Wi-Fi 6	2.4/5 GHz	9.6 Gbps
Wi-Fi 6E / 7	+ 6 GHz	30 Gbps+
4G LTE	700 MHz–6 GHz	100 Mbps–1 Gbps
5G NR	600 MHz–60 GHz	Gbps 級
Zigbee / Thread	2.4 GHz	250 kbps
LoRa	sub-GHz	low
NB-IoT	LTE	low
GPS	1.575 GHz	—

十、PCB 與封裝

RF PCB 材料

材料	Dk	Df	用途
FR4	4.5	0.02	< 1 GHz
Megtron 6	3.4	0.005	< 5 GHz
Rogers RO4350B	3.66	0.0037	< 30 GHz
Rogers RT/duroid	2.2	0.0009	mmWave
陶瓷（LTCC）	變化	low	mmWave、衛星

走線結構

Microstrip
Coplanar Waveguide（CPW）
Stripline
共面波導 + 接地（GCPW）

接地

RF 設計接地極關鍵： - 大量 via stitching - 連續地平面（不切割） - 多層 PCB 至少 4 層

封裝

QFN、LGA：mmWave 不適用
LCC（陶瓷）
Flip-Chip
AiP（Antenna in Package）：5G mmWave 主流

十一、天線基礎

天線參數

增益（dBi）
方向性（Directivity）
頻寬
極化（垂直 / 水平 / 圓極化）
VSWR / Return Loss
效率

常見天線

Dipole：偶極，全向
Patch：PCB 補丁，方向性
Yagi：方向性高，UHF/VHF
Helical：螢旋
PIFA：手機常用
Chip Antenna：藍牙 / Wi-Fi 模組

Phased Array

多個小天線控制相位 → 電子束控（5G mmWave、雷達）。

十二、實務工具

模擬軟體

HFSS（Ansys）：3D EM 模擬
CST（Dassault）
ADS（Keysight）：電路 + EM
Sonnet：平面 EM
OpenEMS（免費 / 開源）

量測

VNA（網路分析儀）
頻譜分析儀
訊號分析儀
雜訊指數分析儀

十三、本章總結

✅ 您應該掌握：

[x] RF 頻段範圍與應用
[x] S 參數、VSWR、Return Loss
[x] 阻抗匹配（Smith Chart、L/π/T 網路）
[x] RF 系統架構（superheterodyne、direct conversion）
[x] LNA / PA / Mixer / VCO / Filter
[x] 雜訊指數（Friis 方程式）
[x] 數位調變（QAM、OFDM）
[x] PCB 材料與封裝
[x] 天線基礎

03-電源完整性PI.md — Power Integrity。