ADI解决方案助力射频设计

今天，无论是我们身边的手机，还是工厂中的机器人，抑或是车载信息系统，都拥有越来越强大的数字处理器。不过，如果这些系统之间不能通过无线通信互联互通，它们就仅仅是一个个彼此分离的信息孤岛，其价值将大打折扣。而想要在数字电路和无线通信的天线之间，建立起高速可靠的信号链，则少不了射频（RF）技术的加持。

所谓射频技术，简单的理解就是对高频信号（通常指300kHz〜300GHz）进行处理的技术，其作用就好似一个“快递员”，将电子设备需要与外界进行通信的数字数据“打包”成无线信号并发送出去，同时也会将电子设备需要从外界获得的无线信号接收下来并“拆包”成数字信息，交给后端的数字电路去做计算和处理。

由此不难理解，射频系统包括发射端和接收端两个部分：

发射端

通常由基带处理器、数模转换器（DAC）、射频前端和天线组成，其工作原理是：先由基带处理器将数字数据转换为射频信号，并进行调制、编码等处理，再由DAC将数字信号转换为模拟信号，并通过射频前端对模拟信号进行放大和滤波，而后由天线将处理后的射频信号以电磁波的形式发射出去。

接收端

其可以看做是发射端的一个逆过程：首先由天线接收射频信号，再由射频前端对射频信号进行放大和滤波，接下来通过信号处理模块对射频信号进行放大、滤波、下变频等处理，然后由ADC将模拟信号转换为数字信号，之后交给基带处理器对数字信号进行解调、解码等处理，还原出原始数据。

众所周知，射频系统的设计并不简单。射频工程师需要使用放大器、滤波器、衰减器、调制解调器、收发器、频率合成器、时钟、RF开关等各类射频元器件，综合考虑高频信号处理、射频前端设计、无线传输、多路复用、噪声和干扰等诸多课题，往往需要反复的迭代优化，才能完成设计。因此射频设计往往会成为整个电子系统设计中的痛点。

不过好消息是，为了帮助工程师消除射频设计这个“痛点”，今天的射频技术供应商通常会从三个方面提供支持：

1通过丰富的产品组合，提供一站式的解决方案，更大限度地减少工程师在整合不同品牌产品之间的工作量和风险。

2配套丰富的设计资源，如设计工具、原型开发平台和参考设计等，为射频系统的开发提供更大的便利。

3提供深度优化的解决方案，在性能、集成度、小型化、灵活性等方面为客户带来独特的价值，建立差异化优势。

图1：射频系统示意图

（图源：Analog Devices）

作为射频和微波领域的知名技术供应商，Analog Devices（以下简称ADI）公司凭借先进的射频技术能力、系统知识与工艺技术，不仅提供涵盖整个RF信号链的全系列RF IC产品组合，以及丰富的设计资源，而且还聚焦射频开发领域“痛点”问题，给出针对性的解决方案。

今天，我们就一起来看看面对RF和微波开发领域三个痛点问题，ADI是如何巧妙化解的。

灵活的数字可调谐滤波器

在射频系统中，为了解决信号干扰问题，滤波器是必不可少的组件，其通过在通带内传输频率和在阻带内抑制频率来减少干扰信号并保留目标信号。

为射频系统设计滤波器时，有很多技术路径可供选择，比如：带有表面贴装元件的分立式集总元件滤波器、包含PCB传输线的分布式元件滤波器、体声波（BAW）和表面声波（SAW）滤波器、低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器、腔体滤波器以及陶瓷谐振器等。这些滤波器各具特色，需要在实际设计时进行细致的权衡取舍。

值得注意的是，近年来，基于半导体工艺的滤波器技术得到了长足的进步，支持的频率范围也越来越宽，其允许使用精确的温度稳定无功元件，品质系数得到了改善，而且支持使用开关和可调谐无功元件，这也是一个优于分立式集总元件滤波器的优势，为射频系统设计提供了一种兼具高性能和高集成度的解决方案。

表1：不同类型滤波器的比较

（资料来源：Analog Devices）

更进一步，如果将数字控制元件集成到半导体滤波器中，则可以打造出更具灵活性的数字调谐滤波器。简单地讲，数字调谐滤波器是一种基于数字信号处理技术的滤波器，其通过数字滤波算法实现对一定频率范围内的信号进行选择性地滤波，而且通过控制调谐电路的参数，还可根据设计需要对滤波性能进行调整。

这一特性，对于射频系统的优化十分有利。比如设计宽带接收器的射频前端时，要求处理难以预测的阻塞情况，同时还要检测低电平信号，这就需要动态调整前端滤波性能，这时数字控制的可调谐滤波器IC产品就是一个理想的解决方案。

为此，ADI公司开发了全新的数字调谐滤波器产品系列，这些滤波器通过SPI接口进行配置，具有快速的RF开关速度，每个芯片内加入了一个128种状态的查询表，以便快速改变滤波器状态，实现快速跳频应用。这种高抑制快速调谐与宽频率覆盖的特性，使得接收器能够在不利的频谱环境中运行。

图2：ADMV8818数字可调谐滤波器

（图源：Analog Devices）

其中，一个代表性的产品就是ADMV8818数字可调谐滤波器，这是一款单片式微波集成电路，配有4个独立控制的高通滤波器（HPF）和4个独立控制的低通滤波器（LPF），工作频率范围为2GHz至18GHz。

ADMV8818采用灵活的架构，可以独立控制高通和低通滤波器的3dB截止频率 (f3dB)，以产生高达4GHz带宽。每个滤波器的数字逻辑控制的宽度为4位（16种状态），通过控制片内电抗元件来调节f3dB。该滤波器典型插入损耗为9dB，宽带抑制为35 dB，可较大限度地降低系统谐波。

图3：ADMV8818功能框图

（图源：Analog Devices）

因此，ADMV8818可调谐滤波器可作为大型开关滤波器组和腔体调谐滤波器的小型替代方案，在射频通信应用中提供动态可调的滤波功能。

图4：ADMV8818配置为6GHz至9GHz带通滤波器

（图源：Analog Devices）

集成VCO的PLL频率合成器

在射频系统中，精准、可靠的频率产生器件是不可或缺的要素。比如，发射机和接收机会利用振荡器和频率合成器实现载波信号及上/下变频本地振荡器频率的生成、对频率调谐的辅助以及其他功能，可以说是整个射频系统稳定工作的基石。

其中，频率合成器的作用是从单个基准频率生成多个频率，其通常利用倍频/分频、混频或锁相环等不同技术，生成信号或对来自振荡器的信号进行“加工”，输出所需的频率。

PLL（锁相环）频率合成器是一种常见的频率合成器类型，PLL包含鉴相器，可将VCO（压控振荡器）频率的N分频与参考频率进行比较，并使用该差值输出信号调节施加于VCO调谐线路的DC控制电压，由此即时校正频率漂移，确保输出频率的稳定性。

为了进一步提升集成度和简化系统设计，目前集成VCO的频率合成器在射频系统中的应用也越来越广泛，这种器件将PLL和VCO组合在单个封装中，因此只需要外部参考和环路滤波器就能实现所需的功能，可以为通信、测试与测量和航空航天等应用提供高性能的本振和时钟源。

围绕集成VCO的PLL频率合成器，ADI提供了一系列产品组合，包括窄带和宽带器件，支持高达13.6 GHz的频率，它们都具有出色的相位噪声、抖动和杂散性能，并且采用小尺寸封装以实现更高的系统集成度。

图5：ADF4437低抖动微波宽带合成器

（图源：Analog Devices）

ADF4377低抖动微波宽带合成器就是该产品家族中的一员，这是一款高性能、超低抖动、双输出集成N相PLL，集成有VCO，其中高性能PLL具有-239dBc/Hz的品质因数、超低1/f噪声和高相位频率检测器（PFD）频率，可以实现超低的带内噪声和集成抖动。基本VCO和输出分频器可生成800MHz至12.8GHz频率。此外，ADF4377合成器还集成了电源旁路电容器，可有效节省占板面积，十分适合于空间紧凑的应用。

ADF4377还大大简化了对齐和校准程序，允许多组数据转换器以彼此精确对齐的时序进行信号采样，这对新一代超宽带多通道系统的运行至关重要。这些特性使得ADF4377非常适用于测试测量、无线基础设施和高性能数据转换器等应用。

图6：ADF4437功能框图

（图源：Analog Devices）

紧凑的高性能VNA前端

众所周知，矢量网络分析仪(VNA)是射频工程师案头必不可少的工具。VNA通过发送一系列频率和幅度可变的测试信号到被测设备中，并测量信号经过该设备时的幅度和相位变化，来评估信号在不同频率下的反射和传输特性，包括幅度衰减、相位变化、频率响应等，藉此了解电路或系统的性能，诊断问题并进行优化。因此，VNA在无线通信、雷达系统、天线设计、微波电路等射频应用开发中都发挥着关键作用。

正是因为VNA的重要性和必要性，简化VNA的设计，在确保高性能的前提下尽可能拉低VNA的成本就成了一个重要的课题。

图7：ADL5960宽带矢量网络分析仪前端

（图源：Analog Devices）

为了应对这一挑战，ADI推出了一款高集成度的解决方案——ADL5960宽带矢量网络分析仪前端，其包括电阻双向桥、下变频混频器、可编程IF放大器和滤波器以及高度灵活的本振 (LO) 接口。该电桥在高达17 GHz的频率下提供>10 dB的方向性，且电桥的主传输线路在RFIN至RFOUT范围内其宽带阻抗匹配至50Ω，并具有平坦的频率响应和<2.5dB的典型插入损耗。

图8：ADL5960功能框图

（图源：Analog Devices）

ADL5960支持几种不同的LO接口配置，可简化VNA解决方案的时钟设计并将该器件接口至模数转换器 (ADC)。LO接口中的分频器和倍频器可以在驱动（LOP和LOM）引脚的电源工作频率范围外实现测量扫描。这样，ADL5960可在整个20 GHz带宽内进行操作，同时将6 GHz频率合成器用作LO源。通过（OFP和OFM）接口驱动的IF频率偏移混频器通过同一频率源驱动（扫描的）RF和LO信号来实现进一步简化。然后IF输出信号频率由驱动（OFP和OFM）接口的低频源确定。在使能4分频的情况下，以ADC采样频率驱动此接口可自动居中第一奈奎斯特区中的IF输出信号。

ADL5960中具有可编程带宽的IF滤波器以及具有可单独编程增益的IF放大器，可对入射通道（IFFP和IFFM）和反向通道（IFRP和IFRM）IF接口上的IF信号进行同步动态范围优化。IF放大器具有可调输出共模电平以及足够的驱动能力，可直接与各种ADC进行接口。

ADL5960中的所有配置和功能均可通过3线式SPI并使用ADI-SPI接口标准进行完全编程。

总的来说，ADL5960将VNA中极具挑战性的电桥、RF、IF等部分都集成于其中，开发者只需要外接ADC和PLL本振就可以实现较为完整的功能，大大减小了VNA系统的尺寸，也简化了设计工作，为开发多样化的VNA产品提供更大的空间。

本文小结

对于电子工程师来说，射频设计往往是“痛点中的痛点”。想要有效应对射频设计中的诸多挑战，除了工程师自身不断积累知识和经验，充分利用知名射频技术供应商所提供的资源，无疑是“站在巨人的肩膀上”，事半功倍。

从本文的三个实例中，你一定可以体会到，ADI丰富的产品线、设计资源，以及深度优化的解决方案，可以助力工程师一站式解决射频设计中的诸多痛点问题。