RF信號(hào)鏈中的濾波器

如今的多通道寬帶多倍頻程調(diào)諧RF接收器，通常需要消除不必要的阻塞信號(hào)，從而保持相關(guān)信號(hào)的保真度。濾波器在減少這些不必要的信號(hào)上起到了重要作用，特別是在這些系統(tǒng)的接收器RF前端和本振(LO)部分。本文將探討RF信號(hào)鏈中的濾波器，討論阻塞信號(hào)的概念，回顧傳統(tǒng)的濾波技術(shù)，然后介紹用于優(yōu)化信號(hào)鏈性能的新產(chǎn)品解決方案。

為了不斷減小尺寸、重量、功率和成本，同時(shí)提高或保持性能，RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有必要評(píng)估信號(hào)鏈中的每個(gè)組件，并尋找創(chuàng)新機(jī)會(huì)。由于通常濾波器會(huì)占用大量的電路板空間，因此這是考慮減小尺寸時(shí)尋求突破的重點(diǎn)領(lǐng)域。

同時(shí)，接收器的架構(gòu)也在不斷發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)能夠以更高的輸入頻率采樣。隨著ADC輸入頻率的提高，信號(hào)鏈中對(duì)濾波器的限制也發(fā)生了變化。一般來說，這種趨勢(shì)意味著對(duì)濾波器的抑制要求有所放寬，這為進(jìn)一步優(yōu)化尺寸和調(diào)諧性能提供了機(jī)會(huì)。

在開始探索之前，首先將概述射頻信號(hào)鏈和各項(xiàng)定義，以便說明需要使用濾波器的位置及其原因。此外，回顧傳統(tǒng)技術(shù)也有助于洞察現(xiàn)狀。然后，通過比較這些傳統(tǒng)技術(shù)和最新的產(chǎn)品解決方案，可以清楚地看到系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何輕松實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)。

RF信號(hào)鏈概述

圖1顯示了覆蓋2 GHz至18 GHz的典型寬帶信號(hào)鏈。該信號(hào)鏈的基本工作原理如下。天線接收的頻率范圍很廣。將頻率轉(zhuǎn)換為ADC能夠進(jìn)行數(shù)字化處理的中頻信號(hào)之前，需要進(jìn)行一系列放大、濾波和衰減控制(射頻前端)。此框圖中的濾波功能可分為四大類：

預(yù)選器亞倍頻程濾波

鏡像/中頻信號(hào)抑制

LO諧波

抗混疊

圖1.2 Ghz至18 GHz接收器框圖。

圖2.(a)亞倍頻程預(yù)選可減輕IMD2問題;(b)濾波器頻帶隨著頻率的增加而變寬。

圖3.(a)必須在混頻器之前抑制的鏡像頻段和(b)中頻頻段。

預(yù)選器亞倍頻程濾波需要靠近信號(hào)鏈的起點(diǎn)，用于解決二階交調(diào)失真(IMD2)雜散問題，這類問題在有干擾信號(hào)(也稱為阻斷信號(hào))的情況下會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)帶外(OOB)雜散相加或相減并形成一個(gè)帶內(nèi)雜散時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，這可能會(huì)掩蓋目標(biāo)信號(hào)。亞倍頻程濾波器可以在這些干擾信號(hào)到達(dá)信號(hào)鏈的非線性元件(如放大器或混頻器)之前將其去除。通常，亞倍頻程濾波器的絕對(duì)帶寬要求會(huì)隨著中心頻率的降低而變得更窄。例如，2 GHz至18 GHz信號(hào)鏈的第一頻帶可能僅覆蓋2 GHz至3 GHz，并且需要在1.5 GHz的低壓側(cè)(F_high/2)和4 GHz的高壓側(cè)(F_low × 2)具有良好的抑制，而信號(hào)鏈的最高頻帶可能覆蓋12 GHz至18 GHz，在9 GHz的低壓側(cè)和24 GHz的高壓側(cè)具有良好的抑制。這些差異意味著需要更多的濾波器來覆蓋低頻段，而不是高頻段。預(yù)選器濾波的頻譜示例如圖2所示。

鏡像/中頻抑制濾波通常是在信號(hào)鏈的下游，在LNA和混頻器之間。它用于抑制鏡像頻率和不需要的中頻頻率。鏡像是一個(gè)頻段，當(dāng)它出現(xiàn)在混頻器輸入端時(shí)，將生成與混頻器輸出端目標(biāo)信號(hào)振幅相同的信號(hào)。鏡像抑制可以通過信號(hào)鏈中的幾個(gè)組件來實(shí)現(xiàn)，如預(yù)選濾波器、專用鏡像抑制濾波器和來自于單邊帶(SSB)混頻器的鏡像抑制能力。中頻信號(hào)抑制需要在混頻器之前降低中頻頻率的頻譜，避免它們直接泄漏到混頻器上并顯示為不需要的雜散。圖3顯示了一個(gè)不需要的鏡像和中頻頻段的頻譜示例。

根據(jù)LO生成電路的不同，信號(hào)鏈中的這一點(diǎn)對(duì)濾波的要求可能會(huì)有所不同。輸入混頻器LO端口的目標(biāo)信號(hào)是干凈的正弦波或方波。通常，LO電路會(huì)產(chǎn)生所需LO信號(hào)的次諧波和諧波。這些不需要的信號(hào)(見圖4)需要在到達(dá)混頻器之前進(jìn)行抑制，避免產(chǎn)生不需要的MxN雜散產(chǎn)物。如果LO信號(hào)處于單一頻率，那么一個(gè)固定帶通濾波器就足夠了，并且可以優(yōu)化為僅通過目標(biāo)信號(hào)。在寬帶信號(hào)鏈中，通常要實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的LO信號(hào)，因此需要一組開關(guān)濾波器或一個(gè)可調(diào)諧濾波器。

圖4.LO諧波濾波。

圖5.如果沒有足夠的抑制，ADC中的混疊會(huì)導(dǎo)致干擾信號(hào)出現(xiàn)在某個(gè)頻段。

使用ADC采樣時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需選擇要進(jìn)行數(shù)字化處理的奈奎斯特區(qū)。第一個(gè)奈奎斯特區(qū)的范圍從DC到fS/2(其中fS是ADC的采樣率)。第二個(gè)奈奎斯特區(qū)是從fS/2到fS，以此類推。抗混疊濾波器用于抑制與目標(biāo)奈奎斯特區(qū)相鄰的奈奎斯特區(qū)中的干擾信號(hào)。信號(hào)鏈中這個(gè)位置的干擾信號(hào)可能來自不同的來源，比如混頻器中產(chǎn)生的MxN雜散、與目標(biāo)信號(hào)相鄰的下變頻信號(hào)，或是來自中頻信號(hào)鏈中產(chǎn)生的諧波。在進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，輸入ADC的任何干擾信號(hào)都將混疊到第一奈奎斯特區(qū)。不需要的混疊信號(hào)的頻譜示例如圖5所示。

阻塞信號(hào)

在射頻通信系統(tǒng)中，阻塞信號(hào)是一種接收到的干擾輸入信號(hào)，它會(huì)降低目標(biāo)信號(hào)的增益和信納比(SINAD)。阻塞信號(hào)可能會(huì)直接掩蓋目標(biāo)信號(hào)，也可能會(huì)產(chǎn)生掩蓋目標(biāo)信號(hào)的雜散產(chǎn)物。這些不需要的信號(hào)可能是無意或有意干擾的結(jié)果。前一種情況中，它來自相鄰頻譜中運(yùn)行的另一個(gè)射頻通信系統(tǒng)。后一種情況中，它來自惡意電子戰(zhàn)系統(tǒng)，目的是故意干擾射頻通信或雷達(dá)系統(tǒng)。圖6顯示了阻塞信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的頻譜示例。

圖6.目標(biāo)信號(hào)和阻塞信號(hào)。

很多射頻元件會(huì)表現(xiàn)出弱非線性無記憶行為。這意味著它們可以用低階多項(xiàng)式來近似表示。例如，寬帶頻率放大器可由僅包括一階項(xiàng)和三階項(xiàng)的奇數(shù)階多項(xiàng)式建模：

當(dāng)在工作頻率范圍內(nèi)，放大器的輸入端存在兩個(gè)入射信號(hào)時(shí)，就像目標(biāo)信號(hào)ω1和阻斷信號(hào)ω2的情況，輸入信號(hào)可描述為：

將輸入等式代入奇數(shù)階多項(xiàng)式可得到以下輸出結(jié)果：

當(dāng)目標(biāo)信號(hào)的振幅遠(yuǎn)小于阻塞器信號(hào)時(shí)，A<則等式3中的多項(xiàng)式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

根據(jù)簡(jiǎn)化得到的等式4，現(xiàn)在目標(biāo)信號(hào)振幅與阻塞信號(hào)振幅B密切相關(guān)。由于大多數(shù)目標(biāo)射頻分量是壓縮的，α系數(shù)必須是相反的符號(hào)，使得α1α3 < 0。上述兩種說法的結(jié)果是必然的，因?yàn)閷?duì)于較大的阻塞信號(hào)振幅來說，目標(biāo)信號(hào)的增益趨于零。

濾波器定義

為了解決RF通信系統(tǒng)中干擾信號(hào)的問題，工程師們依靠濾波器來減少這些信號(hào)并保留目標(biāo)信號(hào)。簡(jiǎn)單地說，濾波器是一種允許在通帶內(nèi)傳輸頻率和在阻帶內(nèi)抑制頻率的組件。

通常，濾波器的插入損耗(dB)可描述為低通、高通、帶通或帶阻(陷波)。這個(gè)術(shù)語指的是所繪制的容許通帶頻率響應(yīng)與增加的頻率之間的關(guān)系。濾波器可以根據(jù)其頻率響應(yīng)波形進(jìn)一步分類，例如通帶紋波、阻帶紋波，以及它們相對(duì)于頻率的滾降速度。為了便于說明，圖7顯示了四種主要的濾波器類型。

圖7.按類型劃分的濾波器波形。

除了插入損耗外，濾波器的另一個(gè)重要特性是群延遲。群延遲是指?jìng)鬏斚辔幌鄬?duì)于頻率的變化率。群延遲的單位是時(shí)間(秒)，因此這個(gè)指標(biāo)可視為特定信號(hào)通過濾波器的傳輸時(shí)間。單一頻率的傳輸時(shí)間本身通常影響不大，但當(dāng)寬帶調(diào)制信號(hào)通過濾波器時(shí)，群延遲的平坦性就變得很重要，因?yàn)樗梢栽诮邮招盘?hào)中引入不同的時(shí)間延遲，使信號(hào)失真。等式5給出了群延遲的方程，其中θ是相位，?是頻率：

具有明顯插入損耗和群延遲特性的典型濾波器類型有Butterworth、Chebyshev、橢圓和Bessel。每個(gè)類型通常由一個(gè)階數(shù)來定義，它描述了濾波器中有多少個(gè)無功元件。階數(shù)越高，頻率滾降就越快。

在考慮類似階數(shù)的濾波器時(shí)，Butterworth濾波器可提供盡量平坦的通帶響應(yīng)，但會(huì)犧牲頻率滾降，而Chebyshev濾波器則具有很好的頻率滾降，但存在一些通帶紋波。橢圓濾波器(有時(shí)稱為Cauer-Chebyshev)比Chebyshev濾波器有更多的頻率滾降，但也因此會(huì)在通帶和阻帶中產(chǎn)生紋波。Bessel濾波器的頻率和群延遲響應(yīng)最為平坦，但其頻率滾降性能最差。為了便于說明，圖8顯示了一個(gè)五階低通濾波器的理想插入損耗和群延遲，其3 dB頻率(f3 dB)為2 Ghz，允許的通帶紋波為1 dB，阻帶紋波為50 dB。

對(duì)于在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持恒定相位很重要的系統(tǒng)，如雷達(dá)系統(tǒng)，相關(guān)頻帶的群延遲平坦度對(duì)于避免接收到的脈沖出現(xiàn)意外相位偏差來說至關(guān)重要。假設(shè)接收信號(hào)范圍可以覆蓋1 GHz或更多，則應(yīng)盡量減少寬頻帶的群延遲平坦度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，應(yīng)將群延遲平坦度保持在<1 ns，但這要取決于系統(tǒng)對(duì)相位偏差的容限。圖9顯示了群延遲平坦度分別為2.24 ns和0.8 ns的濾波器示例。觀察這些波形可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于更平坦的群延遲來說，整個(gè)頻率范圍的相位變化更加一致。

最后，用于設(shè)計(jì)濾波器的無功元件的品質(zhì)因數(shù)(Q因數(shù))是影響性能的一個(gè)重要屬性。品質(zhì)因數(shù)定義為特定電路元件的無功阻抗與串聯(lián)損耗電阻之比。它與技術(shù)工藝和用于實(shí)現(xiàn)的物理區(qū)域密切相關(guān)。品質(zhì)系數(shù)越高，頻率響應(yīng)越快，插入損耗越小。

圖8.五階低通濾波器的插入損耗和群延遲。

圖9.群延遲平坦度影響與線性相位的偏差：(a)顯示2.24 ns的群延遲平坦度 (b)顯示0.8 ns的平坦度，兩者對(duì)比可看出，相位變化與頻率的關(guān)系更一致。

RF通信的傳統(tǒng)濾波技術(shù)

為射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，有多種技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)經(jīng)典型濾波器。傳統(tǒng)上，射頻工程師依靠的是帶有表面貼裝元件的分立式集總元件實(shí)現(xiàn)，或者是包含印在PCB材料上的傳輸線的分布式元件濾波器。然而，近年來，濾波器基于半導(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)，允許使用精確的溫度穩(wěn)定無功元件，品質(zhì)系數(shù)得到了改善。此外，半導(dǎo)體工藝支持使用開關(guān)和可調(diào)諧無功元件，這在分立式集總元件實(shí)現(xiàn)中可能更具挑戰(zhàn)性。還有體聲波(BAW)、表面聲波(SAW)、低溫共燒陶瓷(LTCC)、腔體濾波器或陶瓷諧振器等其它技術(shù)。

每種方法和技術(shù)都存在權(quán)衡取舍：

集總LC濾波器由PCB上的表面貼裝電感器和電容器來實(shí)現(xiàn)。這樣做的好處是便于組裝，然后通過調(diào)整數(shù)值來改變?yōu)V波器的性能。

分布式濾波器設(shè)計(jì)為在電介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)的傳輸線的諧振片(可以集成到PCB中，也可以獨(dú)立在一個(gè)單獨(dú)的電介質(zhì)上)，并定向?yàn)樵谀承╊l率范圍內(nèi)充當(dāng)準(zhǔn)電感器或準(zhǔn)電容器。它們表現(xiàn)出周期性特征。在某些情況下，會(huì)添加集總元件來改進(jìn)/小型化分布式濾波器。

陶瓷諧振器濾波器使用多個(gè)陶瓷諧振器(這是一個(gè)分布式元件)，通過集總元件進(jìn)行耦合。耦合元件通常是一個(gè)電容，但有時(shí)也會(huì)使用電感。這種類型的濾波器是分布式和集總元件的混合體。

腔體濾波器由封裝在導(dǎo)電盒內(nèi)的分布式元件(棒)來實(shí)現(xiàn)。它們以能夠處理高功率而幾乎沒有損耗而聞名，但要以尺寸和成本為代價(jià)。

BAW和SAW技術(shù)可以提供出色的性能，但它們往往在頻率選擇方面有要求，不適合寬帶應(yīng)用。

LTCC濾波器通過將多層分布式傳輸線組合在一個(gè)陶瓷封裝中來實(shí)現(xiàn)，該陶瓷封裝類似于分布式濾波器，可用于多種應(yīng)用，但它是固定的。由于它們是3D堆疊式的，所以最終在PCB上占用的空間很小。

隨著最近半導(dǎo)體性能的提升，集成到半導(dǎo)體中的濾波器支持的頻率范圍也更加寬泛。如果能夠?qū)?shù)字控制元件輕松集成到這些元件中，有助于軟件定義收發(fā)器的采用?？偟膩碚f，性能和集成度之間的權(quán)衡取舍為寬帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供了有用的價(jià)值。

表1.濾波器類型比較

最新的濾波器解決方案

ADI公司開發(fā)了一個(gè)新的數(shù)字調(diào)諧濾波器產(chǎn)品系列，利用增強(qiáng)型半導(dǎo)體工藝和工業(yè)友好型封裝技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)成就了小型、高抑制濾波器，可以緩解接收機(jī)中出現(xiàn)的阻塞問題。這些濾波器通過標(biāo)準(zhǔn)串行至并行接口(SPI)通信進(jìn)行高度配置，具有快速的RF開關(guān)速度。此外，ADI公司在每個(gè)芯片內(nèi)加入了一個(gè)128種狀態(tài)的查詢表，以便快速改變?yōu)V波器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)快速跳頻應(yīng)用。高抑制快速調(diào)諧與寬頻率覆蓋的結(jié)合，使下一代接收器應(yīng)用能夠在不利的頻譜環(huán)境中運(yùn)行。

圖10.ADMV8818功能框圖。

圖11.使用ADMV8818作為預(yù)選器和鏡像濾波器的2 Ghz至18 GHz接收器的方框圖。

使用這項(xiàng)技術(shù)推出的最新產(chǎn)品為 ADMV8818 和 ADMV8913。前者有四個(gè)高通濾波器和四個(gè)低通濾波器，工作頻率為2 GHz至18 GHz;后者有一個(gè)高通濾波器和低通濾波器，工作頻率為8 GHz至12 GHz。

ADMV8818是一款高度靈活的濾波器，采用9 mm×9 mm封裝，可在2 GHz和18 GHz之間實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的帶通、高通、低通或旁路響應(yīng)。該芯片由兩部分組成：輸入部分和輸出部分。輸入部分有四個(gè)高通濾波器和一個(gè)可選旁路，旁路可通過兩個(gè)RFIN開關(guān)進(jìn)行選擇。同樣，輸出部分有四個(gè)低通濾波器和一個(gè)可選旁路，旁路可通過兩個(gè)RFOUT開關(guān)進(jìn)行選擇。每個(gè)高通和低通濾波器都可以用16種狀態(tài)(4個(gè)控制位)進(jìn)行調(diào)諧，以調(diào)整3 dB頻率(f3 dB)。圖10所示為ADMV8818的功能框圖。

憑借可快速重新配置的靈活結(jié)構(gòu)和較小的外形尺寸，ADMV8818可在2 GHz至18 GHz頻段上提供全覆蓋，沒有任何死區(qū)。ADMV8818可配置為亞倍頻程預(yù)選濾波器、鏡像或中頻濾波器。當(dāng)在圖11所示的信號(hào)鏈中進(jìn)行配置時(shí)，接收器可以保持高靈敏度，并且可以在存在較大的OOB信號(hào)時(shí)，改用ADMV8818作為預(yù)選器。

例如，如果在9 Ghz頻段附近接收到目標(biāo)信號(hào)，但在4.5 GHz頻段存在一個(gè)強(qiáng)大的OOB阻塞信號(hào)，那么該阻塞信號(hào)會(huì)導(dǎo)致諧波出現(xiàn)在9 GHz目標(biāo)信號(hào)附近，從而妨礙操作。將ADMV8818配置為一個(gè)6 GHz至9 GHz的帶通濾波器，可允許寬帶信號(hào)通過，同時(shí)在信號(hào)鏈的非線性元件中引起諧波問題之前，適當(dāng)降低阻塞信號(hào)的電平。為這種情況配置的ADMV8818的S參數(shù)掃描可覆蓋阻塞信號(hào)，如圖12所示。

圖12.ADMV8818配置為6 GHz至9 GHz帶通濾波器。該濾波器抑制F2–F1、F1+F2、F/2和F×2雜散產(chǎn)物。

典型的2 GHz到18 GHz預(yù)選濾波器模塊的尺寸比較如圖13所示。其中開關(guān)固定濾波器預(yù)選器組是在陶瓷基板上采用分布式濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。尺寸根據(jù)市面上的濾波器產(chǎn)品估算。估算時(shí)包含了八擲開關(guān)，用來比較等效功能。圖中所示的可調(diào)諧BPF是ADMV8818，它覆蓋的頻率范圍相同，并且調(diào)諧靈活性也比開關(guān)式濾波器組更全面。與開關(guān)式濾波器組相比，ADMV8818的占用面積節(jié)省超過75%。接收器信號(hào)鏈中的預(yù)選器功能通常在系統(tǒng)的整體尺寸中占有相當(dāng)大的比例，因此在尺寸有限的電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，這種占用面積節(jié)省至關(guān)重要，這些系統(tǒng)可以靈活地在尺寸與性能之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。

ADMV8913是高通和低通濾波器的組合，采用6 mm × 3 mm封裝，它專門設(shè)計(jì)用于在8 Ghz至12 GHz的頻率范圍(X波段)內(nèi)工作，插入損耗低至5 dB。高通和低通濾波器都可以用16種狀態(tài)(4個(gè)控制位)進(jìn)行調(diào)諧，以調(diào)整3 dB頻率(f3 dB)。此外，ADMV8913集成了一個(gè)并行邏輯接口，可以在不需要SPI通信的情況下設(shè)置濾波器狀態(tài)。這種并行邏輯接口對(duì)于需要快速濾波器響應(yīng)時(shí)間的系統(tǒng)來說相當(dāng)有用，因?yàn)樗薙PI處理所需的時(shí)間。圖14所示為ADMV8913的功能框圖。

現(xiàn)代X頻段雷達(dá)系統(tǒng)，無論是采用機(jī)械轉(zhuǎn)向天線還是高通道數(shù)相控陣波束，通常都依賴于尺寸緊湊、插入損耗低且易于配置的濾波解決方案。由于插入損耗低、尺寸小、數(shù)字接口選項(xiàng)(SPI或并行控制)靈活，ADMV8913非常適合這種應(yīng)用。這些功能特點(diǎn)使它能夠靠近這些系統(tǒng)的前端，確保出色的性能，同時(shí)降低集成的復(fù)雜性。

圖13.固定開關(guān)的2 GHz至18 GHz BPF(左)與數(shù)字可調(diào)諧2 GHz至18 GHz BPF(右)。占用面積節(jié)省超過75%。

圖14.ADMV8913功能框圖

結(jié)論

設(shè)計(jì)寬帶接收器的射頻前端時(shí)，要考慮的因素有很多。前端的設(shè)計(jì)必須能夠處理難以預(yù)測(cè)的阻塞情況，同時(shí)還能檢測(cè)低電平信號(hào)。能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整前端濾波性能，以處理這些阻塞信號(hào)，這是射頻前端的一個(gè)關(guān)鍵特性。ADI公司新推出的數(shù)字控制可調(diào)諧濾波器IC產(chǎn)品具備出色的性能，并且數(shù)字功能也進(jìn)行了強(qiáng)化，可滿足眾多前端應(yīng)用的需要。這兩款新產(chǎn)品只是數(shù)字可調(diào)諧濾波器產(chǎn)品組合中眾多新開發(fā)產(chǎn)品中最先推出的兩款。