作者：Brad HallandDavid Mailloux

在當(dāng)今的多通道、寬帶多倍頻程調(diào)諧RF接收機中，通常需要消除不需要的阻塞信號，以保持目標(biāo)信號的保真度。濾波器在減少這些不需要的信號方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，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信號鏈中的濾波器，討論阻塞信號的概念，回顧傳統(tǒng)濾波技術(shù)，并總結(jié)用于優(yōu)化信號鏈性能的最新產(chǎn)品解決方案。

介紹

為了不斷減小尺寸、重量、功耗和成本，同時提高或保持性能，RF系統(tǒng)設(shè)計人員有必要評估信號鏈中的每個組件并尋找創(chuàng)新機會。由于過濾器傳統(tǒng)上消耗大量面積，因此它們是探索減小尺寸的明顯領(lǐng)域。

同時，隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠以更高的輸入頻率進行采樣，接收器架構(gòu)也在不斷發(fā)展。隨著ADC輸入頻率的提高，信號鏈中濾波器的限制也發(fā)生了變化。一般來說，這種趨勢意味著放寬對濾波器的剔除要求，從而進一步優(yōu)化尺寸和可調(diào)性。

為了開始這種探索，RF信號鏈和定義的一般概述可以幫助解釋需要濾波器的位置和原因。此外，對傳統(tǒng)技術(shù)的回顧可以深入了解現(xiàn)狀。然后，通過比較這些傳統(tǒng)技術(shù)與最新的產(chǎn)品解決方案，系統(tǒng)設(shè)計人員如何輕松實現(xiàn)其目標(biāo)就變得清晰起來。

射頻信號鏈概述

覆蓋2 GHz至18 GHz的典型寬帶信號鏈如圖1所示。該信號鏈的基本工作原理如下。天線接收寬頻譜的頻率。在頻率轉(zhuǎn)換為ADC可以數(shù)字化的IF信號之前，需要進行一系列放大、濾波和衰減控制（RF前端）。此框圖中的過濾功能可分為四個主要類別：

預(yù)選器亞倍頻程濾波

鏡像/中頻信號抑制

LO諧波

抗鋸齒

圖1.2 GHz 至 18 GHz 接收器框圖。

圖2.（a） 亞八度預(yù)選減輕了IMD2問題;（b） 濾波器帶隨著頻率的增加而變寬。

圖3.（a） 鏡像波段和 （b） IF波段必須在混頻器之前被拒絕。

預(yù)選器亞倍頻程濾波需要靠近信號鏈的起點，用于解決在存在干擾信號（也稱為阻塞信號）時可能出現(xiàn)的二階交調(diào)失真（IMD2）雜散。當(dāng)兩個帶外 （OOB） 雜散相加或減去并產(chǎn)生落在帶內(nèi)的雜散時，就會發(fā)生這種情況，這可能會掩蓋所需信號。亞倍頻程濾波器在干擾信號到達信號鏈中的非線性元件（如放大器或混頻器）之前將其消除。通常，隨著中心頻率的降低，亞倍頻程濾波器的絕對帶寬要求會變窄。例如，2 GHz至18 GHz信號鏈中的第一個頻段可能僅覆蓋2 GHz至3 GHz，需要在低端（F_high/2）和4 GHz（F_low × 2）的1.5 GHz處進行良好的抑制，而信號鏈中的最高頻段可能覆蓋12 GHz至18 GHz。 低端在 9 GHz 和高端 24 GHz 時具有良好的抑制性能。這些差異意味著需要更多的濾波器來覆蓋比高頻頻段更多的頻段。預(yù)選器濾波的頻譜示例如圖2所示。

鏡像/IF抑制濾波通常位于信號鏈的下游，位于LNA和混頻器之間。它用于抑制鏡像頻率和不需要的IF頻率。圖像是一個頻帶，當(dāng)出現(xiàn)在混頻器輸入端時，它將在混頻器輸出端產(chǎn)生振幅等于所需信號的信號。信號鏈中的多個元件可以實現(xiàn)鏡像抑制，例如預(yù)選器濾波器、專用鏡像抑制濾波器和單邊帶（SSB）混頻器鏡像抑制。需要中頻信號抑制，以在混頻器之前降低中頻頻率的頻譜，以避免它們直接泄漏到混頻器上并顯示為不需要的雜散。不需要的鏡像和IF頻段的頻譜示例如圖3所示。

根據(jù)用于產(chǎn)生LO的電路，信號鏈中此時的濾波要求可能會有所不同。饋送混頻器LO端口的所需信號是干凈的正弦波或方波。通常，LO電路會產(chǎn)生所需LO信號的次諧波和諧波。這些不需要的信號（見圖4）需要在到達混頻器之前被抑制，以避免產(chǎn)生不需要的MxN雜散產(chǎn)物。如果LO信號處于單一頻率，則固定帶通濾波器就足夠了，并且可以優(yōu)化為僅通過所需信號。在寬帶信號鏈中，通常采用可調(diào)諧LO信號，因此需要一組開關(guān)濾波器或可調(diào)諧濾波器。

圖4.LO諧波濾波。

圖5.如果抑制不足，ADC中的混疊會導(dǎo)致干擾信號出現(xiàn)在頻帶中。

使用ADC采樣時，系統(tǒng)設(shè)計人員需要選擇要數(shù)字化的奈奎斯特區(qū)。第一個奈奎斯特區(qū)的范圍從直流到fS/2（其中 fS是 ADC 的采樣速率）。第二個奈奎斯特區(qū)來自fS/2 至 fS等等?？够殳B濾波器用于抑制與所需奈奎斯特區(qū)相鄰的奈奎斯特區(qū)的干擾信號。信號鏈中此位置的干擾源可能來自各種來源，例如混頻器中產(chǎn)生的MxN雜散、與所需信號相鄰的下變頻信號或IF信號鏈中產(chǎn)生的諧波。在執(zhí)行數(shù)字化時，輸入到ADC的任何不需要的信號都將混疊到第一個奈奎斯特區(qū)。不需要的混疊信號的頻譜示例如圖5所示。

阻塞信號

在RF通信系統(tǒng)中，阻塞信號是接收到的無用輸入信號，會降低目標(biāo)目標(biāo)信號的增益和信噪比和失真（SINAD）。阻塞信號可以是直接屏蔽所需信號的信號，也可以是產(chǎn)生屏蔽所需信號的雜散產(chǎn)物的信號。這些不需要的信號可能是無意或故意干擾的結(jié)果。在前一種情況下，它來自在相鄰頻譜中運行的另一個RF通信系統(tǒng)。在后一種情況下，它來自旨在故意破壞射頻通信或雷達系統(tǒng)的邪惡電子戰(zhàn)（EW）系統(tǒng)。阻塞信號和目標(biāo)信號的頻譜示例如圖6所示。

圖6.所需和阻塞信號。

許多RF組件表現(xiàn)出弱非線性無記憶行為。這意味著它們可以用低階多項式近似。例如，寬帶頻率放大器可以通過僅包含一階和三階項的奇數(shù)多項式建模：

當(dāng)放大器輸入端存在兩個入射信號時，在工作頻率范圍內(nèi)，如所需信號ω1和阻塞信號ω2，輸入信號可描述為：

將輸入方程代入奇數(shù)次多項式會導(dǎo)致輸出：

當(dāng)目標(biāo)信號的幅度遠小于阻塞信號A<

鑒于公式4中的簡化，所需信號幅度現(xiàn)在是阻塞信號幅度B的強函數(shù)。由于大多數(shù)感興趣的RF分量都是壓縮的，因此α系數(shù)必須具有相反的符號，1這樣α1α3< 0.前面提到的兩個陳述的結(jié)果是重要的，因為對于大阻塞信號幅度，所需信號的增益變?yōu)榱恪?/p>

篩選器定義

為了解決RF通信系統(tǒng)中的無用信號問題，工程師依靠濾波器來減少這些信號并保留所需的目標(biāo)信號。簡單來說，濾波器是允許在通帶內(nèi)傳輸頻率并在帶阻中抑制頻率的組件。2

通常，濾波器的插入損耗（dB）可以描述為低通、高通、帶通或帶阻（陷波）。該命名法是指允許的通帶頻率響應(yīng)與頻率增加的關(guān)系圖。濾波器可以按其頻率響應(yīng)形狀進一步分類，例如通帶紋波、阻帶紋波以及它們滾降的速度與頻率的關(guān)系。為了便于說明，圖7顯示了四種主要濾波器類型。

圖7.按類型篩選形狀。

除了插入損耗之外，濾波器的另一個重要特性是群延遲，它被定義為傳輸相位相對于頻率的變化率。群延遲的單位是時間（秒），因此可以將該指標(biāo)視為特定信號通過濾波器的傳輸時間。單個頻率的傳輸時間本身通常影響不大，但是當(dāng)寬帶調(diào)制信號通過濾波器時，群延遲的平坦度變得很重要，因為它可以通過在接收信號中引入不同的時間延遲來扭曲信號。群延遲的公式在公式5中給出，其中θ是相位，?是頻率：

具有明顯插入損耗和群延遲特性的經(jīng)典濾波器類型是巴特沃斯、切比雪夫、橢圓和貝塞爾。每個通常由一個訂單號定義，該訂單號描述了濾波器中有多少反應(yīng)性元件。訂單號越高，頻率滾降越快。

當(dāng)考慮類似有序的濾波器時，巴特沃斯風(fēng)格以頻率滾降為代價提供最大平坦的通帶響應(yīng)，而切比雪夫濾波器具有良好的頻率滾降和一些通帶紋波。橢圓濾波器（有時稱為Cauer-Chebyshev）比切比雪夫濾波器具有更多的頻率滾降，但因此在通帶和阻帶中都會產(chǎn)生紋波。貝塞爾濾波器具有最大的平坦頻率和群延遲響應(yīng)，盡管頻率滾降性能最差。為了便于說明，圖8顯示了頻率為3 dB（f3分貝） 為 2 GHz，允許通帶紋波為 1 dB，阻帶紋波為 50 dB。

對于在頻率范圍內(nèi)保持恒定相位很重要的系統(tǒng)，例如雷達系統(tǒng)，目標(biāo)頻帶上的群延遲平坦度對于避免接收脈沖的意外相位偏差至關(guān)重要。鑒于接收信號可以跨越1 GHz或更高，應(yīng)將寬帶寬上的群延遲平坦度降至最低。經(jīng)驗法則是將群延遲平坦度保持在<1 ns，但這取決于系統(tǒng)對相位偏差的容差。圖9中的曲線顯示了一個濾波器示例，其群延遲平坦度分別為2.24 ns和0.8 ns。對圖的觀察顯示，對于更平坦的群延遲，整個頻率的相位變化更加一致。

最后，用于設(shè)計濾波器的反應(yīng)元件的品質(zhì)因數(shù)（Q因數(shù)）是影響性能的重要屬性。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。它是技術(shù)過程和用于實施的物理區(qū)域的功能。更高的品質(zhì)因數(shù)可實現(xiàn)更清晰的頻率響應(yīng)和更低的插入損耗。

圖8.五階低通濾波器的插入損耗和群延遲。

圖9.群延遲平坦度會影響與線性相位的偏差：（a） 顯示 2.24 ns 群延遲平坦度，（b） 顯示 0.8 ns 平坦度，從而產(chǎn)生更一致的相位變化與頻率的關(guān)系。

用于射頻通信的傳統(tǒng)濾波器技術(shù)

在為RF通信系統(tǒng)設(shè)計濾波器時，有多種技術(shù)可用于實現(xiàn)經(jīng)典濾波器類型。傳統(tǒng)上，RF工程師依賴于帶有表面貼裝元件的分立集總元件實現(xiàn)，或者包含印刷在PCB材料上的傳輸線的分布式元件濾波器。然而，近年來，濾波器已經(jīng)設(shè)計在半導(dǎo)體工藝上，允許精確的溫度穩(wěn)定的反應(yīng)元件，并改善質(zhì)量因數(shù)。此外，半導(dǎo)體工藝允許開關(guān)和可調(diào)諧電抗元件，這在分立集總元件實現(xiàn)中可能更具挑戰(zhàn)性。還有其他技術(shù)，例如體聲波（BAW），表面聲波（SAW），低溫共燒陶瓷（LTCC），腔體濾波器或陶瓷諧振器。

每種方法和技術(shù)都需要權(quán)衡取舍：

集總LC濾波器采用PCB上的表面貼裝電感器和電容器實現(xiàn)。好處是易于組裝，然后通過交換值來改變?yōu)V波器的性能。

分布式濾波器被設(shè)計為在電介質(zhì)上實現(xiàn)的傳輸線的諧振部分（集成在PCB中或獨立在單獨的電介質(zhì)上），并且在某些頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為準(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，添加集總組件以改善/小型化分布式濾波器。

陶瓷諧振器濾波器使用多個陶瓷諧振器（分布式元件），這些陶瓷諧振器通過集總元件耦合。耦合元件通常是電容器，但有時也使用電感器。這種類型的過濾器是分布式和集總元件的混合體。

腔體濾波器由封閉在導(dǎo)電盒內(nèi)的分布式元件（桿）實現(xiàn)。它們以能夠以很小的損失處理大量功率而聞名，但以犧牲尺寸和成本為代價。

BAW和SAW技術(shù)可以提供出色的性能，但它們往往具有頻率選擇性，不適合寬帶應(yīng)用。

LTCC濾波器是通過在陶瓷封裝內(nèi)組合多層分布式傳輸線來實現(xiàn)的，類似于分布式濾波器，可以服務(wù)于許多應(yīng)用，但都是固定的。由于它們是 3D 堆疊的， 它們最終在PCB上占用的空間很小.

最后，隨著半導(dǎo)體性能的最新進展，集成到半導(dǎo)體中的濾波器支持寬頻率范圍。將數(shù)字控制元件輕松集成到這些組件中的能力有助于軟件定義的收發(fā)器采用。通常，性能和集成之間的權(quán)衡為寬帶系統(tǒng)設(shè)計人員提供了極具吸引力的價值。

最新過濾器解決方案

ADI公司開發(fā)了全新的數(shù)字可調(diào)諧濾波器產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品采用增強型半導(dǎo)體工藝以及工業(yè)友好型封裝技術(shù)。該技術(shù)產(chǎn)生了小型、高抑制濾波器，可緩解接收器中出現(xiàn)的阻塞問題。這些濾波器設(shè)計為可通過標(biāo)準(zhǔn)串行到并行接口（SPI）通信進行高度配置，具有快速的RF開關(guān)速度。此外，ADI在每個芯片中集成了一個128態(tài)查找表，允許快速改變?yōu)V波器狀態(tài)，適用于快速跳頻應(yīng)用?？焖僬{(diào)諧與高抑制和寬頻率覆蓋范圍相結(jié)合，使下一代接收器應(yīng)用能夠在不利的頻譜環(huán)境中工作。

圖 10.ADMV8818功能框圖

圖 11.使用ADMV8818作為預(yù)選器和圖像濾波器的2 GHz至18 GHz接收器框圖。

采用該技術(shù)推出的最新產(chǎn)品包括ADMV8818，它具有四個高通濾波器和四個低通濾波器，工作頻率范圍為2 GHz至18 GHz，以及ADMV8913，它具有工作頻率范圍為8 GHz至12 GHz的高通濾波器和低通濾波器。

ADMV8818是一款高度靈活的濾波器，采用9 mm×9 mm封裝，可在2 GHz至18 GHz之間實現(xiàn)可調(diào)諧帶通、高通、低通或旁路響應(yīng)。芯片由兩部分組成：輸入部分和輸出部分。輸入部分具有四個高通濾波器和一個可選旁路，可通過兩個RF進行選擇在開關(guān)。類似地，輸出部分具有四個低通濾波器和一個可選的旁路，可通過兩個RF選擇。外開關(guān)。每個高通和低通濾波器均可通過16種狀態(tài)（4位控制）進行可調(diào)諧，以調(diào)節(jié)3 dB頻率（f3分貝).圖10顯示了ADMV8818的功能框圖。

得益于其可快速重新配置的靈活架構(gòu)和小尺寸，ADMV8818可在2 GHz至18 GHz頻段內(nèi)提供全覆蓋，無任何盲區(qū)。ADMV8818可配置為亞倍頻程預(yù)選器濾波器、鏡像或IF濾波器。如圖11所示在信號鏈中進行配置時，接收器可以保持高靈敏度，在存在較大的OOB信號時，能夠切換到ADMV8818作為預(yù)選器。

例如，如果在 9 GHz 附近接收到目標(biāo)信號，但在 4.5 GHz 處存在強 OOB 阻塞信號，則該阻塞信號會導(dǎo)致諧波出現(xiàn)在所需的 9 GHz 信號附近，從而阻止操作。將ADMV8818配置為6 GHz至9 GHz帶通濾波器，將允許寬帶信號通過，同時適當(dāng)降低阻塞信號的電平，以免信號鏈的非線性元件中出現(xiàn)諧波問題。為這種情況配置的ADMV8818的S參數(shù)掃描與阻塞器重疊，如圖12所示。

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

典型 2 GHz 至 18 GHz 預(yù)選器模塊的尺寸比較如圖 13 所示。在此比較中，開關(guān)固定濾波器預(yù)選器組采用陶瓷基板上的分布式濾波器技術(shù)實現(xiàn)。尺寸是根據(jù)市售的過濾器技術(shù)估算的。估算中包括八擲開關(guān)，以比較等效功能。所示的可調(diào)BPF是ADMV8818，它覆蓋相同的頻率范圍，并在開關(guān)濾波器組上提供完全的調(diào)諧靈活性。與開關(guān)濾波器組相比，ADMV8818可節(jié)省的面積超過75%。接收器信號鏈中的預(yù)選器功能通常占系統(tǒng)整體尺寸的很大一部分，因此這種面積節(jié)省對于尺寸受限的電子戰(zhàn)系統(tǒng)至關(guān)重要，這些系統(tǒng)可以靈活地權(quán)衡尺寸和性能。

ADMV8913是高通和低通濾波器的組合，采用6 mm×3 mm封裝，專門設(shè)計用于在8 GHz至12 GHz頻率范圍（X頻段）內(nèi)工作，插入損耗低至5 dB。高通和低通濾波器可通過 16 種狀態(tài)（4 位控制）進行可調(diào)諧，以調(diào)整 3 dB 頻率 （f3分貝).此外，ADMV8913集成了一個并行邏輯接口，無需SPI通信即可設(shè)置濾波器狀態(tài)。這種并行邏輯接口對于需要快速濾波器響應(yīng)時間的系統(tǒng)非常有用，因為它消除了SPI事務(wù)所需的時間。ADMV8913的功能框圖如圖14所示。

現(xiàn)代X波段雷達系統(tǒng)，無論是采用機械控制天線還是高通道數(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。ADMV8913具有低插入損耗、小尺寸和靈活的數(shù)字接口選項（SPI或并行控制）等特點，非常適合此應(yīng)用。這些特性使其能夠靠近這些系統(tǒng)的前端，以確保最佳性能，同時降低集成復(fù)雜性。

圖 13.固定開關(guān) 2 GHz 至 18 GHz BPF（左）與數(shù)字可調(diào) 2 GHz 至 18 GHz BPF（右）。節(jié)省的面積大于 75%。

圖 14.ADMV8913功能框圖

結(jié)論

寬帶接收器RF前端的設(shè)計考慮因素很多。前端必須設(shè)計為處理難以預(yù)測的阻塞程序場景，同時還要檢測低電平信號。能夠動態(tài)調(diào)整前端濾波性能以處理這些阻塞信號是RF前端的關(guān)鍵特性。ADI公司推出的新型數(shù)控可調(diào)諧濾波器IC產(chǎn)品提供業(yè)界領(lǐng)先的性能和增強的數(shù)字功能，可滿足許多前端應(yīng)用的需求。這兩款新產(chǎn)品只是數(shù)字可調(diào)諧濾波器產(chǎn)品組合中眾多令人興奮的新發(fā)展中的第一個。

審核編輯：郭婷