数字可调谐滤波器如何实现宽带接收器应用

作者：Brad Hall and David Mailloux

在当今的多通道、宽带多倍频程调谐RF接收机中，通常需要消除不需要的阻塞信号，以保持目标信号的保真度。滤波器在减少这些不需要的信号方面发挥了至关重要的作用，特别是在这些系统的接收器RF前端和本振（LO）部分。本文将探讨RF信号链中的滤波器，讨论阻塞信号的概念，回顾传统滤波技术，并总结用于优化信号链性能的最新产品解决方案。

介绍

为了不断减小尺寸、重量、功耗和成本，同时提高或保持性能，RF系统设计人员有必要评估信号链中的每个组件并寻找创新机会。由于过滤器传统上消耗大量面积，因此它们是探索减小尺寸的明显领域。

同时，随着模数转换器（ADC）能够以更高的输入频率进行采样，接收器架构也在不断发展。随着ADC输入频率的提高，信号链中滤波器的限制也发生了变化。一般来说，这种趋势意味着放宽对滤波器的剔除要求，从而进一步优化尺寸和可调性。

为了开始这种探索，RF信号链和定义的一般概述可以帮助解释需要滤波器的位置和原因。此外，对传统技术的回顾可以深入了解现状。然后，通过比较这些传统技术与最新的产品解决方案，系统设计人员如何轻松实现其目标就变得清晰起来。

射频信号链概述

覆盖2 GHz至18 GHz的典型宽带信号链如图1所示。该信号链的基本工作原理如下。天线接收宽频谱的频率。在频率转换为ADC可以数字化的IF信号之前，需要进行一系列放大、滤波和衰减控制（RF前端）。此框图中的过滤功能可分为四个主要类别：

预选器亚倍频程滤波

镜像/中频信号抑制

LO谐波

抗锯齿

图1.2 GHz 至 18 GHz 接收器框图。

图2.（a） 亚八度预选减轻了IMD2问题;（b） 滤波器带随着频率的增加而变宽。

图3.（a） 镜像波段和 （b） IF波段必须在混频器之前被拒绝。

预选器亚倍频程滤波需要靠近信号链的起点，用于解决在存在干扰信号（也称为阻塞信号）时可能出现的二阶交调失真（IMD2）杂散。当两个带外 （OOB） 杂散相加或减去并产生落在带内的杂散时，就会发生这种情况，这可能会掩盖所需信号。亚倍频程滤波器在干扰信号到达信号链中的非线性元件（如放大器或混频器）之前将其消除。通常，随着中心频率的降低，亚倍频程滤波器的绝对带宽要求会变窄。例如，2 GHz至18 GHz信号链中的第一个频段可能仅覆盖2 GHz至3 GHz，需要在低端（F_high/2）和4 GHz（F_low × 2）的1.5 GHz处进行良好的抑制，而信号链中的最高频段可能覆盖12 GHz至18 GHz。 低端在 9 GHz 和高端 24 GHz 时具有良好的抑制性能。这些差异意味着需要更多的滤波器来覆盖比高频频段更多的频段。预选器滤波的频谱示例如图2所示。

镜像/IF抑制滤波通常位于信号链的下游，位于LNA和混频器之间。它用于抑制镜像频率和不需要的IF频率。图像是一个频带，当出现在混频器输入端时，它将在混频器输出端产生振幅等于所需信号的信号。信号链中的多个元件可以实现镜像抑制，例如预选器滤波器、专用镜像抑制滤波器和单边带（SSB）混频器镜像抑制。需要中频信号抑制，以在混频器之前降低中频频率的频谱，以避免它们直接泄漏到混频器上并显示为不需要的杂散。不需要的镜像和IF频段的频谱示例如图3所示。

根据用于产生LO的电路，信号链中此时的滤波要求可能会有所不同。馈送混频器LO端口的所需信号是干净的正弦波或方波。通常，LO电路会产生所需LO信号的次谐波和谐波。这些不需要的信号（见图4）需要在到达混频器之前被抑制，以避免产生不需要的MxN杂散产物。如果LO信号处于单一频率，则固定带通滤波器就足够了，并且可以优化为仅通过所需信号。在宽带信号链中，通常采用可调谐LO信号，因此需要一组开关滤波器或可调谐滤波器。

图4.LO谐波滤波。

图5.如果抑制不足，ADC中的混叠会导致干扰信号出现在频带中。

使用ADC采样时，系统设计人员需要选择要数字化的奈奎斯特区。第一个奈奎斯特区的范围从直流到fS/2（其中 fS是 ADC 的采样速率）。第二个奈奎斯特区来自fS/2 至 fS等等。抗混叠滤波器用于抑制与所需奈奎斯特区相邻的奈奎斯特区的干扰信号。信号链中此位置的干扰源可能来自各种来源，例如混频器中产生的MxN杂散、与所需信号相邻的下变频信号或IF信号链中产生的谐波。在执行数字化时，输入到ADC的任何不需要的信号都将混叠到第一个奈奎斯特区。不需要的混叠信号的频谱示例如图5所示。

阻塞信号

在RF通信系统中，阻塞信号是接收到的无用输入信号，会降低目标目标信号的增益和信噪比和失真（SINAD）。阻塞信号可以是直接屏蔽所需信号的信号，也可以是产生屏蔽所需信号的杂散产物的信号。这些不需要的信号可能是无意或故意干扰的结果。在前一种情况下，它来自在相邻频谱中运行的另一个RF通信系统。在后一种情况下，它来自旨在故意破坏射频通信或雷达系统的邪恶电子战（EW）系统。阻塞信号和目标信号的频谱示例如图6所示。

图6.所需和阻塞信号。

许多RF组件表现出弱非线性无记忆行为。这意味着它们可以用低阶多项式近似。例如，宽带频率放大器可以通过仅包含一阶和三阶项的奇数多项式建模：

当放大器输入端存在两个入射信号时，在工作频率范围内，如所需信号ω1和阻塞信号ω2，输入信号可描述为：

将输入方程代入奇数次多项式会导致输出：

当目标信号的幅度远小于阻塞信号A<

鉴于公式4中的简化，所需信号幅度现在是阻塞信号幅度B的强函数。由于大多数感兴趣的RF分量都是压缩的，因此α系数必须具有相反的符号，1这样α1α3< 0.前面提到的两个陈述的结果是重要的，因为对于大阻塞信号幅度，所需信号的增益变为零。

筛选器定义

为了解决RF通信系统中的无用信号问题，工程师依靠滤波器来减少这些信号并保留所需的目标信号。简单来说，滤波器是允许在通带内传输频率并在带阻中抑制频率的组件。2

通常，滤波器的插入损耗（dB）可以描述为低通、高通、带通或带阻（陷波）。该命名法是指允许的通带频率响应与频率增加的关系图。滤波器可以按其频率响应形状进一步分类，例如通带纹波、阻带纹波以及它们滚降的速度与频率的关系。为了便于说明，图7显示了四种主要滤波器类型。

图7.按类型筛选形状。

除了插入损耗之外，滤波器的另一个重要特性是群延迟，它被定义为传输相位相对于频率的变化率。群延迟的单位是时间（秒），因此可以将该指标视为特定信号通过滤波器的传输时间。单个频率的传输时间本身通常影响不大，但是当宽带调制信号通过滤波器时，群延迟的平坦度变得很重要，因为它可以通过在接收信号中引入不同的时间延迟来扭曲信号。群延迟的公式在公式5中给出，其中θ是相位，ƒ是频率：

具有明显插入损耗和群延迟特性的经典滤波器类型是巴特沃斯、切比雪夫、椭圆和贝塞尔。每个通常由一个订单号定义，该订单号描述了滤波器中有多少反应性元件。订单号越高，频率滚降越快。

当考虑类似有序的滤波器时，巴特沃斯风格以频率滚降为代价提供最大平坦的通带响应，而切比雪夫滤波器具有良好的频率滚降和一些通带纹波。椭圆滤波器（有时称为Cauer-Chebyshev）比切比雪夫滤波器具有更多的频率滚降，但因此在通带和阻带中都会产生纹波。贝塞尔滤波器具有最大的平坦频率和群延迟响应，尽管频率滚降性能最差。为了便于说明，图8显示了频率为3 dB（f3分贝） 为 2 GHz，允许通带纹波为 1 dB，阻带纹波为 50 dB。

对于在频率范围内保持恒定相位很重要的系统，例如雷达系统，目标频带上的群延迟平坦度对于避免接收脉冲的意外相位偏差至关重要。鉴于接收信号可以跨越1 GHz或更高，应将宽带宽上的群延迟平坦度降至最低。经验法则是将群延迟平坦度保持在<1 ns，但这取决于系统对相位偏差的容差。图9中的曲线显示了一个滤波器示例，其群延迟平坦度分别为2.24 ns和0.8 ns。对图的观察显示，对于更平坦的群延迟，整个频率的相位变化更加一致。

最后，用于设计滤波器的反应元件的品质因数（Q因数）是影响性能的重要属性。品质因数定义为特定电路元件的无功阻抗与串联损耗电阻之比。它是技术过程和用于实施的物理区域的功能。更高的品质因数可实现更清晰的频率响应和更低的插入损耗。

图8.五阶低通滤波器的插入损耗和群延迟。

图9.群延迟平坦度会影响与线性相位的偏差：（a） 显示 2.24 ns 群延迟平坦度，（b） 显示 0.8 ns 平坦度，从而产生更一致的相位变化与频率的关系。

用于射频通信的传统滤波器技术

在为RF通信系统设计滤波器时，有多种技术可用于实现经典滤波器类型。传统上，RF工程师依赖于带有表面贴装元件的分立集总元件实现，或者包含印刷在PCB材料上的传输线的分布式元件滤波器。然而，近年来，滤波器已经设计在半导体工艺上，允许精确的温度稳定的反应元件，并改善质量因数。此外，半导体工艺允许开关和可调谐电抗元件，这在分立集总元件实现中可能更具挑战性。还有其他技术，例如体声波（BAW），表面声波（SAW），低温共烧陶瓷（LTCC），腔体滤波器或陶瓷谐振器。

每种方法和技术都需要权衡取舍：

集总LC滤波器采用PCB上的表面贴装电感器和电容器实现。好处是易于组装，然后通过交换值来改变滤波器的性能。

分布式滤波器被设计为在电介质上实现的传输线的谐振部分（集成在PCB中或独立在单独的电介质上），并且在某些频率范围内表现为准电感器或准电容器。它们表现出周期性特征。在某些情况下，添加集总组件以改善/小型化分布式滤波器。

陶瓷谐振器滤波器使用多个陶瓷谐振器（分布式元件），这些陶瓷谐振器通过集总元件耦合。耦合元件通常是电容器，但有时也使用电感器。这种类型的过滤器是分布式和集总元件的混合体。

腔体滤波器由封闭在导电盒内的分布式元件（杆）实现。它们以能够以很小的损失处理大量功率而闻名，但以牺牲尺寸和成本为代价。

BAW和SAW技术可以提供出色的性能，但它们往往具有频率选择性，不适合宽带应用。

LTCC滤波器是通过在陶瓷封装内组合多层分布式传输线来实现的，类似于分布式滤波器，可以服务于许多应用，但都是固定的。由于它们是 3D 堆叠的， 它们最终在PCB上占用的空间很小.

最后，随着半导体性能的最新进展，集成到半导体中的滤波器支持宽频率范围。将数字控制元件轻松集成到这些组件中的能力有助于软件定义的收发器采用。通常，性能和集成之间的权衡为宽带系统设计人员提供了极具吸引力的价值。

 

	频率范围	可调性	大小	成本	Q 因子
集总液相色谱	<6千兆赫	难以实施	中等	$	中等
分散式	<50千兆赫	固定	中等	$$	中/高
陶瓷谐振器	<6千兆赫	固定	大	$$	高
腔	<40千兆赫	固定	大	$$$	高
锯/锯	<6千兆赫	固定	小	$	高
LTCC	<40千兆赫	固定	小	$	中等
半导体	<50千兆赫	集成数字调谐	小	$$	中等

 

最新过滤器解决方案

ADI公司开发了全新的数字可调谐滤波器产品系列，该产品采用增强型半导体工艺以及工业友好型封装技术。该技术产生了小型、高抑制滤波器，可缓解接收器中出现的阻塞问题。这些滤波器设计为可通过标准串行到并行接口（SPI）通信进行高度配置，具有快速的RF开关速度。此外，ADI在每个芯片中集成了一个128态查找表，允许快速改变滤波器状态，适用于快速跳频应用。快速调谐与高抑制和宽频率覆盖范围相结合，使下一代接收器应用能够在不利的频谱环境中工作。

图 10.ADMV8818功能框图

图 11.使用ADMV8818作为预选器和图像滤波器的2 GHz至18 GHz接收器框图。

采用该技术推出的最新产品包括ADMV8818，它具有四个高通滤波器和四个低通滤波器，工作频率范围为2 GHz至18 GHz，以及ADMV8913，它具有工作频率范围为8 GHz至12 GHz的高通滤波器和低通滤波器。

ADMV8818是一款高度灵活的滤波器，采用9 mm×9 mm封装，可在2 GHz至18 GHz之间实现可调谐带通、高通、低通或旁路响应。芯片由两部分组成：输入部分和输出部分。输入部分具有四个高通滤波器和一个可选旁路，可通过两个RF进行选择在开关。类似地，输出部分具有四个低通滤波器和一个可选的旁路，可通过两个RF选择。外开关。每个高通和低通滤波器均可通过16种状态（4位控制）进行可调谐，以调节3 dB频率（f3分贝).图10显示了ADMV8818的功能框图。

得益于其可快速重新配置的灵活架构和小尺寸，ADMV8818可在2 GHz至18 GHz频段内提供全覆盖，无任何盲区。ADMV8818可配置为亚倍频程预选器滤波器、镜像或IF滤波器。如图11所示在信号链中进行配置时，接收器可以保持高灵敏度，在存在较大的OOB信号时，能够切换到ADMV8818作为预选器。

例如，如果在 9 GHz 附近接收到目标信号，但在 4.5 GHz 处存在强 OOB 阻塞信号，则该阻塞信号会导致谐波出现在所需的 9 GHz 信号附近，从而阻止操作。将ADMV8818配置为6 GHz至9 GHz带通滤波器，将允许宽带信号通过，同时适当降低阻塞信号的电平，以免信号链的非线性元件中出现谐波问题。为这种情况配置的ADMV8818的S参数扫描与阻塞器重叠，如图12所示。

图 12.ADMV8818配置为6 GHz至9 GHz带通滤波器。滤波器抑制 F2 – F1、F1 + F2、F/2 和 F × 2 杂散产物。

典型 2 GHz 至 18 GHz 预选器模块的尺寸比较如图 13 所示。在此比较中，开关固定滤波器预选器组采用陶瓷基板上的分布式滤波器技术实现。尺寸是根据市售的过滤器技术估算的。估算中包括八掷开关，以比较等效功能。所示的可调BPF是ADMV8818，它覆盖相同的频率范围，并在开关滤波器组上提供完全的调谐灵活性。与开关滤波器组相比，ADMV8818可节省的面积超过75%。接收器信号链中的预选器功能通常占系统整体尺寸的很大一部分，因此这种面积节省对于尺寸受限的电子战系统至关重要，这些系统可以灵活地权衡尺寸和性能。

ADMV8913是高通和低通滤波器的组合，采用6 mm×3 mm封装，专门设计用于在8 GHz至12 GHz频率范围（X频段）内工作，插入损耗低至5 dB。高通和低通滤波器可通过 16 种状态（4 位控制）进行可调谐，以调整 3 dB 频率 （f3分贝).此外，ADMV8913集成了一个并行逻辑接口，无需SPI通信即可设置滤波器状态。这种并行逻辑接口对于需要快速滤波器响应时间的系统非常有用，因为它消除了SPI事务所需的时间。ADMV8913的功能框图如图14所示。

现代X波段雷达系统，无论是采用机械控制天线还是高通道数相控阵波束，通常都依赖于尺寸紧凑、插入损耗低且易于配置的滤波解决方案。ADMV8913具有低插入损耗、小尺寸和灵活的数字接口选项（SPI或并行控制）等特点，非常适合此应用。这些特性使其能够靠近这些系统的前端，以确保最佳性能，同时降低集成复杂性。

图 13.固定开关 2 GHz 至 18 GHz BPF（左）与数字可调 2 GHz 至 18 GHz BPF（右）。节省的面积大于 75%。

图 14.ADMV8913功能框图

结论

宽带接收器RF前端的设计考虑因素很多。前端必须设计为处理难以预测的阻塞程序场景，同时还要检测低电平信号。能够动态调整前端滤波性能以处理这些阻塞信号是RF前端的关键特性。ADI公司推出的新型数控可调谐滤波器IC产品提供业界领先的性能和增强的数字功能，可满足许多前端应用的需求。这两款新产品只是数字可调谐滤波器产品组合中众多令人兴奋的新发展中的第一个。

审核编辑：郭婷