Electronics Is the “Physics-to-System Glue” in RF
— RF 的靈魂是波，但能不能量產、能不能穩定通訊、能不能在干擾環境活下來，決定權多半在電子：
它負責把「微弱 RF 能量」轉成「可控的資訊」，把「DC 能量」轉成「可控的 RF 功率」，並用 NF/線性/增益/穩定度把整個鏈路鎖住。🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 把 RF KPI（Sensitivity / EVM / ACLR / Blocking / Drop）對應到電路指標與設計手段
- 用四大指標（Noise / Linearity / Gain / Stability）看懂 RX/TX 的“輸贏”
- 理解前端不只是幾顆元件，而是 能量的海關 + 參考與回流的秩序
- 知道「最常見的 RF 翻車點」其實是：偏壓/去耦/隔離/寄生/LO 相噪
🧭 一、超核心一句話
👉 電子學把 RF 的“物理可行”變成“系統可交付”：
用 NF 決定你能收多弱、用線性決定你能發多乾淨／能扛多強干擾、用增益分配把訊號推到 ADC/DAC 的最佳區間、用穩定度避免你自己振盪或自干擾。
🧠 二、系統方塊圖（加深：把 KPI 掛上去）
2.1 RX chain（接收）
天線 → 前端濾波/匹配 → LNA → 混頻/LO → IF/BB 濾波 → VGA/AGC → ADC → DSP
- Sensitivity：主要被 LNA NF + 前端損耗吃掉
- Blocking/Desense：主要被線性度 + 前端濾波 + 互調吃掉
- Drop/重連：常常是 LO 相噪 + PI/地噪 + 偏壓漂移造成 BER 上升
2.2 TX chain（發射）
DSP → DAC → BB/IF 濾波 → 上變頻/LO → Driver → PA → 匹配/濾波 → 天線
- EVM：PA 非線性 + 記憶效應 + LO 相噪 + IQ imbalance
- ACLR/Mask：PA 非線性 + 濾波器/匹配 + 供電噪聲調幅
- 效率/熱：PA 類別/功耗 + 熱→偏壓→更熱 的正回授
2.3 共同支撐（真正的地雷區）
- 偏壓 / PI：RF 的“工作點鎖定器”
- 地/回流/隔離：決定你會不會自干擾
- LO/Clock：決定你把訊號“搬到哪裡”以及搬運時帶多少髒東西（相噪）
- 控制迴路（AGC、PA bias、溫補）：決定你在現場是否長期穩
⚡ 三、RF 電子四大核心指標（加深：用“系統代價”理解）
3.1 Noise（NF / 噪聲底）
NF 決定：你能不能在噪聲海裡把訊號撈起來。
最硬的直覺：
- 前端任何損耗（濾波器、開關、ESD）都會直接惡化 NF（而且很難補回）
- 第一級最關鍵：LNA 是 “SNR 守門員”
ASCII（NF 在第一級決勝）
Antenna --Loss--> [LNA] --Gain--> ... ↑這裡每多1 dB損耗，整機SNR就常常少1 dB
3.2 Linearity（P1dB / IP3 / EVM / ACLR）
線性度決定：你能不能在強干擾與多載波世界活下來。
典型翻車：
- 強鄰頻 + 弱目標 → 互調 IMD 落在你頻帶 = “假訊號”
- TX：非線性把能量噴到鄰頻 = ACLR 爆掉 / 送測死
ASCII（互調把假訊號丟進來）
Strong interferer + Strong interferer ↓ nonlinearity IMD products appear → may fall into wanted band → SNR崩
3.3 Gain（增益分配 / 動態範圍）
不是越大越好，是要“把每一級放在它最安全的區域”。
- RX：增益太小 → ADC 噪聲吃掉你
- RX：增益太大 → 強干擾把後級壓縮，反而更差
- TX：Driver/PA 增益分配不好 → PA 在壓縮邊緣硬撐，EVM/ACLR 爆
ASCII（增益分配像“壓力分攤”）
Too little gain → ADC noise dominates Too much gain → compression / IMD dominates Right gain → best overall SNR & linearity
3.4 Stability（穩定度：不振盪、不自耦）
RF 放大器只要形成回授就可能振盪：
- 寄生耦合（走線、封裝、地彈跳）
- 反射回灌（匹配/終端不對）
- PI/去耦讓增益在某頻段“被餵飽”
ASCII（你以為在放大外界，其實在放大自己）
Output ----(parasitic coupling)----> Input If loop gain ≥ 1 and phase≈0 → oscillation
🧠 四、Front-End 是 RF 的勝負手（加深：五件事其實是“門檻管理”）
前端做的不是“連接天線”，而是把系統變得可控：
- 匹配 Matching：能量輸入/輸出效率、NF、線性都被它牽動
- 濾波 Filtering：把不該進來的能量擋掉（blocking、鏡像、諧波）
- 隔離 Isolation：TX 不要灌爆 RX；LO 不要外洩（法規+自干擾）
- 保護 Protection：ESD、強干擾下不死、不自恢復也不算通訊
- 偏壓/去耦 Bias & Decouple：把工作點“釘死”，讓溫度與負載來也不飄
🧩 五、三條主線：用 KPI 反推你該盯哪裡
主線 A：接收靈敏度（Sensitivity）
受：前端損耗、LNA NF、LO 相噪、增益分配、ADC 噪聲底
典型現象：弱訊號收不到、距離縮短、室內角落死角變多
主線 B：發射品質（EVM / ACLR / Mask）
受：PA 非線性、PA 偏壓穩定、記憶效應（熱/偏壓）、濾波/匹配、供電噪聲
典型現象：吞吐忽高忽低、鄰頻干擾、送測 fail
主線 C：系統穩定（不振盪 / 不自干擾 / 不漂移）
受：去耦/回流/隔離、LO 外洩、溫度漂移、封裝寄生與板材
典型現象：莫名掉鏈路、某些溫度/姿態/手靠近就變差、debug 像玄學
🛠️ 六、工程落點（更硬：你會在哪些“低估點”翻車）
- 偏壓網路不是 DC：在 RF 它是隔離/回流/穩定網路的一部分
- 封裝/走線寄生就是元件：via/焊墊/轉角在 GHz 直接是 L/C
- 板材損耗＋表皮效應：頻率越高插損越像“默默把你勒死”
- 隔離不足：TX→RX 灌入、LO→天線漏出、共模路徑一開就整台變天線
- PI 不乾淨：供電噪聲會“調變”你的 RF（等於把雜訊印到載波上）
🧪 SYSTEM 實驗題（110/120）
實驗名稱
RF 電子定位與量化：用“同一天線/同頻段”分別操控 NF、線性、LO 相噪、PI/接地，建立 KPI→原因→修法的對照矩陣
🎯 實驗目的
- 把「天線/EM」與「電子鏈」責任切開：同天線下 KPI 仍可大幅變
- 建立四因素對三 KPI 的映射：
- NF → Sensitivity
- 線性/偏壓 → EVM/ACLR
- LO 相噪 → RX/TX 共同劣化（尤其近載波）
- PI/接地 → 兩邊都可能變差、且常導致“玄學掉鏈”
- 讓你能用可重現的數據做 debug，而不是靠感覺
🧰 器材
- SDR（TX/RX 可量測 EVM/頻譜）或 VSA/SA
- 可換 LNA（或加前端衰減/不同 NF 模組）
- 可調 PA 偏壓（Class AB bias sweep）或可換 PA
- LO 來源可切換：低相噪 vs 高相噪（或加相位雜訊“干擾”）
- 示波Triggers on supply rails（供電噪聲、droop、偏壓漂移）
- （可選）簡易溫控（熱風/小加熱板）觀察記憶效應
🔧 實驗流程（矩陣化）
Step 0：Baseline
- 記錄：Sensitivity（或最小可解碼功率）、EVM、ACLR、掉鏈路率/BER
- 同時記錄：供電紋波、LO 近載波噪聲（若可）、前端波形/增益設定
Step 1：只改 NF（RX 主線）
- 做法：換低 NF LNA ↔ 高 NF LNA，或在 LNA 前加 1–3 dB 衰減模擬前端損耗
- 記錄：Sensitivity 變化、EVM 是否基本不動（在強訊號時）
Step 2：只改線性/偏壓（TX 主線）
- 做法：掃 PA bias（偏壓低→效率好但非線性大；偏壓高→線性好但熱更大）
- 記錄：EVM、ACLR、功耗與溫度（若可）
Step 3：只改 LO 相噪（共同主線）
- 做法：換 LO 或注入相噪干擾
- 記錄：EVM（尤其高階調變）、RX 解碼門檻、近載波裙帶變化
Step 4：只改 PI/接地（玄學變工程）
- 做法：
- 拿掉/換差一級的去耦（或拉長去耦回路）
- 故意製造回流繞路（例如把 RF 前端地回路拉長）
- 記錄：EVM/ACLR 是否出現“瞬時惡化”、掉鏈路率是否暴增
✅ 解答
(A) 四因素 → 三 KPI 的“因果地圖”
[NF] ---------> Sensitivity ↑(變差)
|
| (主要影響RX噪聲底)
v
RX decode threshold
[PA bias/linearity] --> EVM ↑ , ACLR ↑(變差)
|
v
IMD / spectral regrowth / memory effect
[LO phase noise]
-> RX: reciprocal mixing / close-in noise
-> TX: constellation blur (EVM↑), skirt↑
|
v
"近載波"變髒 → 高階調變先死
[PI/GND/Return]
-> AM/PM modulation of RF
-> stability/oscillation risk
-> random drop / desense / EMI
|
v
看起來像玄學，其實是共同阻抗 + 回流 + 去耦
(B) 你會看到的“典型量測變化”
1) 改NF（或前端損耗）：
Sensitivity: 明顯變差/變好
EVM/ACLR: 強訊號下通常變化小
掉鏈路： 弱訊號邊緣更容易掉
2) 改PA bias（線性/熱）：
EVM: bias偏低 -> 變差；偏高 -> 變好但熱上升
ACLR: bias偏低 -> regrowth變大
長時間：熱上來後可能反而變差（記憶效應）
3) 改LO相噪：
RX：弱訊號旁邊若有強干擾，解碼門檻突然變差
TX：星座圖散、EVM變差，近載波裙帶上升
4) 改PI/接地/回流：
供電紋波↑/droop↑ -> EVM/ACLR可能一起變差
ground noise↑ -> LNA/Mixer/PLL更容易不穩
你會看到“某些pattern/負載step”突然爆
(C) Debug 優先順序（用來對照實驗現象）
若掉鏈路/偶發爆：
先看 PI/GND/Return（共同阻抗、去耦回路、回流連續）
再看 LO 相噪/外洩/隔離
再看前端濾波/匹配（是否被干擾灌爆）
最後才看天線本體
🧠 本單元一句話
📡🔧 RF 系統靠波傳能，但靠電子“守住門檻”：NF 守住 RX 噪聲底、線性守住 TX/RX 的互調與規範、增益分配把每一級放在安全區、穩定度與 PI/回流把整機從“可運作”升級為“可量產可長期”。同天線下，電子鏈往往決定你最後能跑多好、能跑多久。
