dB,對於射頻工程師為什麼如此重要?

2021-12-09 奮鬥範兒

大家好，這裡是【射頻學堂】。

為什麼射頻（RF）如此重要？

什麼是頻域？為什麼它對 RF 設計、分析和測試如此重要？

今天我們接著來學習這個射頻設計無處不在的一個單位——分貝dB。關於dB，【射頻學堂】在《dB？到底是個什麼東東？》做過比較詳細的介紹，今天作為射頻基礎，我們在此回顧下dB這個知識。

面對一個射頻設計的項目指標，最為常見的一個詞就是dB。而對於一個射頻工程師來說，dB有時候就像自己的名字般熟悉。dB是一個對數單位，它提供了一種方便的表示比率的方法，比如輸入信號和輸出信號之間的比值。

今天，我們不去探討對數的數學知識，我們僅僅從射頻應用的角度談一下dB。

dB既然是比值，那麼它就是一個相對單位，而不是絕對的。比如說：一個無線系統的輸出信號是10dB，就貽笑大方了。

而信號的電壓是絕對測量，因為我們總是說電位差，即兩點之間的電位差；通常我們指的是一個節點相對於 0 V 接地節點的電位。信號的電流也是絕對測量，因為單位（安培）涉及特定時間量的特定電荷量。相比之下，dB 是一個涉及兩個數字之間比率的對數的單位。一個簡單的例子是放大器增益：如果輸入信號的功率為 1 W，輸出信號的功率為 5 W，則比率為 5，轉換成dB就是6.9897dB。

因此，該放大器提供 7 dB 的功率增益，即輸出信號強度與輸入信號強度之間的比率可以表示為 7 dB。

為什麼要用dB呢？

在不使用 dB 的情況下設計和測試 RF 系統當然是可能的，但實際上 dB 無處不在。一個優點是 dB 標度允許我們在不使用非常大的數字的情況下表達非常大的比率：1,000,000 的功率增益僅為 60 dB。此外，信號鏈的總增益或損耗在 dB 域中很容易計算，因為單個 dB 數字只是簡單地相加（而如果我們使用普通比率，則需要乘法）。

另一個優點是我們從過濾器的經驗中熟悉的東西。RF 系統圍繞頻率以及由組件和寄生電路元件生成、控制或影響頻率的各種方式展開。dB 標度在這樣的上下文中很方便，因為當頻率軸使用對數標度而幅度軸使用 dB 標度時，頻率響應圖直觀且視覺上提供信息。

那麼dB能不能表示絕對值呢？

當然，沒有什麼能夠難道聰明的射頻工程師，我們在dB後面加一個後綴，就能解決這個問題，比如dBm，就是相對於1mW的功率的分貝值，這個值就是一個絕對值。對於一個無線系統，我們可以說它的輸出功率是30dBm，是一個表示功率的dB值，轉換成瓦特，就是1000mW，也就是1W。那麼當這個30dBm的信號通過上文所訴的放大器是，出來的信號是多少呢？

如果用瓦特來計算的話，這個輸出信號的功率等於1W*5=5W. 而轉換成dB之後，我們僅需要簡單的加法運算就可以了，30dBm+7dB=37dm。加減法計算總比乘除要簡單的多。

當然除了dBm之外，還有dBW，dBV等等。但是由於我們通常處理的信號都比較小，dBm的應用更為廣泛。

另外兩個dB的變體是dBc和dBi。這兩個dB變體在射頻設計中同樣運用比較廣泛。

dBc的這個c是指Carrier，載波信號，也就是把載波信號的強度作為參考。例如，相位噪聲以 dBc/Hz 為單位報告；該單元的第一部分表示正在測量特定頻率的相位噪聲功率相對於載波的功率（在這種情況下，「載波」是指標稱頻率的信號強度）。

而dBi是天線設計中一個比較常用的dB變體，理想化的點源天線從發射器電路接收一定量的能量，並向所有方向均勻輻射。這些「各向同性」天線被認為具有零增益和零損耗。

然而，其他天線可以設計為將輻射能量集中在某些方向，從這個意義上說，天線可以有「增益」。天線實際上並不是給信號增加功率，而是通過根據通信系統的方向集中電磁輻射來有效地增加發射功率（顯然當天線設計者知道發射器和接收器之間的空間關係時，這更實用） .

dBi 單位允許天線製造商指定使用廣受歡迎的 dB 標度的「增益」數字。與往常一樣，當我們使用 dB 時，我們需要一個比率，在 dBi 的情況下，天線增益是參考各向同性天線的增益給出的。

一些天線（例如帶有拋物面天線的天線）具有大量增益，因此它們可以對射頻系統的範圍或性能做出重要貢獻。

關注我們，未完待續。。。


參考文獻

1，The RF Engineer’s Guide to the Decibel，https://www.allaboutcircuits.com/

2，再讀一遍，別說你還不懂「dB」？

3，快速口算57dBm是多少瓦？考驗一個射頻工程師的功底

4，dBm與Watt的快速計算（修正版）

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