作者：Brad HallandDavid Mailloux

在當今的多通道、寬帶多倍頻程調諧RF接收機中，通常需要消除不需要的阻塞信號，以保持目標信號的保真度。濾波器在減少這些不需要的信號方面發揮了至關重要的作用，特別是在這些系統的接收器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，回顧傳統濾波技術，并總結用于優化信號鏈性能的最新產品解決方案。

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系統設計人員有必要評估信號鏈中的每個組件并尋找創新機會。由于過濾器傳統上消耗大量面積，因此它們是探索減小尺寸的明顯領域。

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

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，對傳統技術的回顧可以深入了解現狀。然后，通過比較這些傳統技術與最新的產品解決方案，系統設計人員如何輕松實現其目標就變得清晰起來。

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。在頻率轉換為ADC可以數字化的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）時可能出現的二階交調失真（IMD2）雜散。當兩個帶外 （OOB） 雜散相加或減去并產生落在帶內的雜散時，就會發生這種情況，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，當出現在混頻器輸入端時，它將在混頻器輸出端產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鏡像抑制，例如預選器濾波器、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。

根據用于產生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，以避免產生不需要的MxN雜散產物。如果LO信號處于單一頻率，則固定帶通濾波器就足夠了，并且可以優化為僅通過所需信號。在寬帶信號鏈中，通常采用可調諧LO信號，因此需要一組開關濾波器或可調諧濾波器。

圖4.LO諧波濾波。

圖5.如果抑制不足，ADC中的混疊會導致干擾信號出現在頻帶中。

使用ADC采樣時，系統設計人員需要選擇要數字化的奈奎斯特區。第一個奈奎斯特區的范圍從直流到fS/2（其中 fS是 ADC 的采樣速率）。第二個奈奎斯特區來自fS/2 至 fS等等。抗混疊濾波器用于抑制與所需奈奎斯特區相鄰的奈奎斯特區的干擾信號。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信號鏈中產生的諧波。在執行數字化時，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。不需要的混疊信號的頻譜示例如圖5所示。

阻塞信號

在RF通信系統中，阻塞信號是接收到的無用輸入信號，會降低目標目標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，也可以是產生屏蔽所需信號的雜散產物的信號。這些不需要的信號可能是無意或故意干擾的結果。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。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的邪惡電子戰（EW）系統。阻塞信號和目標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多項式建模：

當放大器輸入端存在兩個入射信號時，在工作頻率范圍內，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次多項式會導致輸出：

當目標信號的幅度遠小于阻塞信號A<

鑒于公式4中的簡化，所需信號幅度現在是阻塞信號幅度B的強函數。由于大多數感興趣的RF分量都是壓縮的，因此α系數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果是重要的，因為對于大阻塞信號幅度，所需信號的增益變為零。

篩選器定義

為了解決RF通信系統中的無用信號問題，工程師依靠濾波器來減少這些信號并保留所需的目標信號。簡單來說，濾波器是允許在通帶內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與頻率增加的關系圖。濾波器可以按其頻率響應形狀進一步分類，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，但是當寬帶調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性元件。訂單號越高，頻率滾降越快。

當考慮類似有序的濾波器時，巴特沃斯風格以頻率滾降為代價提供最大平坦的通帶響應，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生紋波。貝塞爾濾波器具有最大的平坦頻率和群延遲響應，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。

對于在頻率范圍內保持恒定相位很重要的系統，例如雷達系統，目標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重要。鑒于接收信號可以跨越1 GHz或更高，應將寬帶寬上的群延遲平坦度降至最低。經驗法則是將群延遲平坦度保持在<1 ns，但這取決于系統對相位偏差的容差。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，用于設計濾波器的反應元件的品質因數（Q因數）是影響性能的重要屬性。品質因數定義為特定電路元件的無功阻抗與串聯損耗電阻之比。它是技術過程和用于實施的物理區域的功能。更高的品質因數可實現更清晰的頻率響應和更低的插入損耗。

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，從而產生更一致的相位變化與頻率的關系。

用于射頻通信的傳統濾波器技術

在為RF通信系統設計濾波器時，有多種技術可用于實現經典濾波器類型。傳統上，RF工程師依賴于帶有表面貼裝元件的分立集總元件實現，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，濾波器已經設計在半導體工藝上，允許精確的溫度穩定的反應元件，并改善質量因數。此外，半導體工藝允許開關和可調諧電抗元件，這在分立集總元件實現中可能更具挑戰性。還有其他技術，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。

每種方法和技術都需要權衡取舍：

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

分布式濾波器被設計為在電介質上實現的傳輸線的諧振部分（集成在PCB中或獨立在單獨的電介質上），并且在某些頻率范圍內表現為準電感器或準電容器。它們表現出周期性特征。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電盒內的分布式元件（桿）實現。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，不適合寬帶應用。

LTCC濾波器是通過在陶瓷封裝內組合多層分布式傳輸線來實現的，類似于分布式濾波器，可以服務于許多應用，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，隨著半導體性能的最新進展，集成到半導體中的濾波器支持寬頻率范圍。將數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器采用。通常，性能和集成之間的權衡為寬帶系統設計人員提供了極具吸引力的價值。

最新過濾器解決方案

ADI公司開發了全新的數字可調諧濾波器產品系列，該產品采用增強型半導體工藝以及工業友好型封裝技術。該技術產生了小型、高抑制濾波器，可緩解接收器中出現的阻塞問題。這些濾波器設計為可通過標準串行到并行接口（SPI）通信進行高度配置，具有快速的RF開關速度。此外，ADI在每個芯片中集成了一個128態查找表，允許快速改變濾波器狀態，適用于快速跳頻應用。快速調諧與高抑制和寬頻率覆蓋范圍相結合，使下一代接收器應用能夠在不利的頻譜環境中工作。

圖 10.ADMV8818功能框圖

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

采用該技術推出的最新產品包括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之間實現可調諧帶通、高通、低通或旁路響應。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。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。每個高通和低通濾波器均可通過16種狀態（4位控制）進行可調諧，以調節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和小尺寸，ADMV8818可在2 GHz至18 GHz頻段內提供全覆蓋，無任何盲區。ADMV8818可配置為亞倍頻程預選器濾波器、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作為預選器。

例如，如果在 9 GHz 附近接收到目標信號，但在 4.5 GHz 處存在強 OOB 阻塞信號，則該阻塞信號會導致諧波出現在所需的 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，同時適當降低阻塞信號的電平，以免信號鏈的非線性元件中出現諧波問題。為這種情況配置的ADMV8818的S參數掃描與阻塞器重疊，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 雜散產物。

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

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

現代X波段雷達系統，無論是采用機械控制天線還是高通道數相控陣波束，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、小尺寸和靈活的數字接口選項（SPI或并行控制）等特點，非常適合此應用。這些特性使其能夠靠近這些系統的前端，以確保最佳性能，同時降低集成復雜性。

圖 13.固定開關 2 GHz 至 18 GHz BPF（左）與數字可調 2 GHz 至 18 GHz BPF（右）。節省的面積大于 75%。

圖 14.ADMV8913功能框圖

結論

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

審核編輯：郭婷