可调谐滤波器原理（可调谐滤波器的工作原理）

当今的多通道宽带多倍频程调谐射频接收器通常需要消除不必要的阻塞信号以保持相关信号的保真度。滤波器在减少这些不需要的信号方面发挥着重要作用，特别是在这些系统的接收器射频前端和本地振荡器(LO) 部分。本文将探讨射频信号链中的滤波器，讨论阻塞信号的概念，回顾传统的滤波技术，然后介绍用于优化信号链性能的新产品解决方案。

为了不断减小尺寸、重量、功耗和成本，同时提高或保持性能，射频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。由于滤波器通常会占用大量电路板空间，因此这是考虑减小尺寸时的重点领域。

与此同时，接收器架构不断发展，模数转换器(ADC) 能够以更高的输入频率进行采样。随着ADC 输入频率的增加，信号链中滤波器的限制也会发生变化。一般来说，这种趋势意味着滤波器抑制要求放宽，这为进一步优化尺寸和调谐性能提供了机会。

在开始探索之前，我们将概述射频信号链和定义，以说明滤波器的使用位置和原因。此外，回顾传统技术还可以洞察现状。然后，通过将这些传统技术与最新的产品解决方案进行比较，系统设计人员可以轻松地实现他们的目标。

射频信号链概述

图1 显示了覆盖2 GHz 至18 GHz 的典型宽带信号链。该信号链的基本工作原理如下。天线接收的频率范围很广。在将频率转换为可由ADC进行数字处理的IF信号之前，需要进行一系列放大、滤波和衰减控制（RF前端）。该框图中的过滤功能可分为四大类：

? 预选器亚倍频程滤波

? 镜像/中频信号抑制

? 本振谐波

? 抗锯齿

图1.2 Ghz 至18 GHz 接收器框图。

图2.(a) 亚倍频程预选缓解了IMD2 问题； (b) 滤波器频带随着频率的增加而变宽。

图3. (a) 图像频带和(b) 必须在混频器之前抑制的IF 频带。

需要在信号链开头附近进行预选器亚倍频程滤波，以解决存在干扰信号（也称为阻塞）时出现的二阶互调失真(IMD2) 杂散问题。当两个带外(OOB) 杂散相加或相减并形成带内杂散时，就会发生这种情况，这可能会掩盖目标信号。亚倍频程滤波器可以在这些干扰信号到达信号链中的非线性元件（例如放大器或混频器）之前将其消除。通常，亚倍频程滤波器的绝对带宽要求随着中心频率的降低而变窄。例如，2 GHz 至18 GHz 信号链的第一个频段可能仅覆盖2 GHz 至3 GHz，并且需要在1.5 GHz 的低侧(F_high/2) 和4 GHz 的高侧(F_low 2) 具有良好的抑制能力。 ），而信号链的最高频段可覆盖12GHz至18GHz，在9GHz低压侧和24GHz高压侧具有良好的抑制能力。这些差异意味着需要比高频带更多的滤波器来覆盖低频带。经过预选器过滤的频谱示例如图2 所示。

镜像/中频抑制滤波通常位于信号链下游、LNA 和混频器之间。它用于抑制镜像频率和不需要的IF 频率。镜像是一个频带，当出现在混频器输入端时，它会产生与混频器输出端的目标信号具有相同幅度的信号。镜像抑制可以通过信号链中的多个组件来实现，例如预选滤波器、专用镜像抑制滤波器以及单边带(SSB) 混频器的镜像抑制功能。 IF 信号抑制需要在混频器之前减少IF 频率的频谱，以防止它们直接泄漏到混频器上并显示为不需要的杂散。图3 显示了不需要的图像和IF 频段的频谱示例。

根据LO 生成电路的不同，信号链中此时的滤波要求可能会有所不同。输入混频器LO 端口的目标信号是干净的正弦波或方波。通常，LO 电路会产生所需LO 信号的分谐波和谐波。这些不需要的信号（参见图4）需要在到达混频器之前被抑制，以避免不需要的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，并且可以进行优化以仅通过感兴趣的信号。在宽带信号链中，通常需要实现可调谐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. 如果没有足够的抑制，ADC 中的混叠可能会导致干扰信号出现在某些频段中。

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域。第一个奈奎斯特区域的范围从DC 到fS/2（其中fS 是ADC 的采样率）。第二奈奎斯特区是从fS/2 到fS，依此类推。抗混叠滤波器用于抑制与目标奈奎斯特区域相邻的奈奎斯特区域中的干扰信号。信号链中此时的干扰信号可能来自不同的来源，例如混频器中生成的MxN 杂散、与感兴趣信号相邻的下变频信号或IF 信号链生成的谐波。数字化时，输入到ADC 的任何干扰信号都会混叠到第一个奈奎斯特区域。图5 显示了不需要的混叠信号的示例频谱。

阻塞信号

在射频通信系统中，阻塞信号是接收到的干扰输入信号，它会降低目标信号的增益和信噪比(SINAD)。阻塞信号可以直接屏蔽目标信号，或者它们可以产生屏蔽目标信号的杂散产物。这些不需要的信号可能是无意或有意干扰的结果。在前一种情况下，它来自在相邻频谱中运行的另一个射频通信系统。在后一种情况下，它来自恶意电子战系统，其目的是故意干扰射频通信或雷达系统。图6 显示了阻塞信号和目标信号的示例频谱。

图6. 目标信号和阻塞信号。

许多射频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来近似。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阶多项式来建模：

当放大器的输入端在工作频率范围内有两个入射信号时，如目标信号1 和阻塞信号2 的情况，输入信号可描述为：

将输入方程代入奇数阶多项式给出以下输出：

当目标信号的幅度远小于阻塞信号时，A<

根据简化的方程4，目标信号幅度现在与阻塞信号幅度B 密切相关。由于大多数目标RF 分量都被压缩，因此 系数必须具有相反的符号，使得13 <0。上述两种说法是不可避免的，因为对于较大的阻塞信号幅度，目标信号的增益趋于零。

过滤器定义

为了解决射频通信系统中的干扰信号问题，工程师依靠滤波器来减少这些信号并保留目标信号。简单地说，滤波器是允许通带内的频率传输并抑制阻带内的频率的组件。

通常，滤波器的插入损耗(dB) 可描述为低通、高通、带通或带阻（陷波）。该术语指的是允许的通带频率响应和增加频率之间的绘制关系。滤波器可以根据其频率响应波形进一步分类，例如通带纹波、阻带纹波及其相对于频率的滚降速度。为了便于说明，图7 显示了四种主要的滤波器类型。

图7. 按类型过滤波形。

除了插入损耗之外，滤波器的另一个重要特性是群延迟。群时延是指传输相位相对于频率的变化率。群延迟以秒为单位测量，因此该指标可以被视为特定信号通过滤波器的传输时间。单个频率本身的渡越时间通常影响不大，但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，因为它会在接收信号中引入不同的时间延迟，使信号失真。公式5 给出了群延迟公式，其中 是相位，f 是频率：

具有显着插入损耗和群延迟特性的典型滤波器类型有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器。每种类型通常由一个顺序定义，该顺序描述了过滤器中有多少个无功元件。阶数越高，频率滚降越快。

当考虑类似阶数的滤波器时，巴特沃斯滤波器以频率滚降为代价提供尽可能平坦的通带响应，而切比雪夫滤波器具有良好的频率滚降，但存在一些通带纹波。椭圆滤波器（有时称为考尔切比雪夫）比切比雪夫滤波器具有更多的频率滚降，但因此会在通带和阻带中产生纹波。贝塞尔滤波器具有最平坦的频率和群延迟响应，但频率滚降性能最差。为了说明这一点，图8 显示了3 dB 频率(f3 dB) 为2 Ghz、允许的通带纹波为1 dB、阻带纹波为50 dB 的五阶低通滤波器的理想插入损耗和群延迟。

对于在整个频率范围内保持恒定相位非常重要的系统（例如雷达系统），相关频带的群延迟平坦度对于避免接收脉冲中出现意外的相位偏差至关重要。假设接收信号范围可以覆盖1 GHz 或以上，则宽带上的群延迟平坦度应最小化。根据经验，群延迟平坦度应保持在

? 陶瓷谐振器滤波器使用通过集总元件耦合的多个陶瓷谐振器（分布式元件）。耦合元件通常是电容器，但有时也使用电感器。这种类型的滤波器是分布式元件和集总元件的混合体。

? 腔体滤波器采用封装在导电盒中的分布式元件（棒）来实现。它们以能够处理高功率而几乎没有损耗而闻名，但代价是尺寸和成本。

? BAW和SAW技术可以提供优异的性能，但它们通常对频率选择有要求，并且不适合宽带应用。

? LTCC 滤波器是通过在陶瓷封装中组合多层分布式传输线来实现的，类似于分布式滤波器，可用于多种应用，但它是固定的。由于它们是3D 堆叠的，因此它们最终在PCB 上占用的空间非常小。

? 随着半导体性能的最新改进，集成到半导体中的滤波器支持更宽的频率范围。将数字控制组件轻松集成到这些组件中的能力将促进软件定义收发器的采用。总体而言，性能和集成度之间的权衡为宽带系统设计者提供了有用的价值。

表1. 滤波器类型比较

最新过滤解决方案

Analog Devices 开发了一系列新的数字调谐滤波器产品，这些产品利用增强的半导体工艺和工业友好型封装技术。该技术可实现小型高抑制滤波器，从而缓解接收器中的阻塞问题。这些滤波器可通过标准串并接口(SPI) 通信进行高度配置，并具有快速射频开关速度。此外，ADI还在每个芯片中添加了128状态查找表，可以快速改变滤波器状态，实现快速跳频应用。高抑制快速调谐和宽频率覆盖范围的结合使下一代接收器应用能够在恶劣的频谱环境中运行。

图10. ADMV8818 功能框图。

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

采用该技术推出的最新产品是ADMV8818 和ADMV8913。前者有四个高通滤波器和四个低通滤波器，工作频率为2 GHz至18 GHz；后者具有一个高通滤波器和一个低通滤波器，工作频率为8 GHz 至12 GHz。

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 范围内提供可调带通、高通、低通或旁路响应。该芯片由两部分组成：输入部分和输出部分。输入部分有四个高通滤波器和一个可选旁路，可通过两个RFIN 开关进行选择。同样，输出部分有四个低通滤波器和一个可选旁路，可通过两个RFOUT 开关进行选择。每个高通和低通滤波器都可以通过16 个状态（4 个控制位）进行调谐，以调整3 dB 频率(f3 dB)。图10 显示了ADMV8818 的功能框图。

ADMV8818 具有可快速重新配置的灵活结构和较小的外形尺寸，可在2 GHz 至18 GHz 频段内实现无死区的全覆盖。 ADMV8818 可配置为亚倍频程预选滤波器、镜像或IF 滤波器。当在图11 所示的信号链中进行配置时，接收器可以保持高灵敏度，并且可以在存在较大OOB 信号的情况下使用ADMV8818 作为预选器。

例如，如果在9 GHz 频段附近接收到目标信号，但在4.5 GHz 频段存在较强的OOB 阻塞信号，则该阻塞信号将导致在9 GHz 目标信号附近出现谐波，从而妨碍操作。将ADMV8818 配置为6 GHz 至9 GHz 带通滤波器，允许宽带信号通过，同时在信号链的非线性元件中引起谐波问题之前适当降低阻塞信号的水平。针对这种情况配置的ADMV8818 的S 参数扫描覆盖了阻塞信号，如图12 所示。

图12. ADMV8818 配置为6 GHz 至9 GHz 带通滤波器。该滤波器可抑制F2F1、F1+F2、F/2 和F2 杂散产物。

典型2GHz至18GHz预选滤波器模块的尺寸比较如图13所示。其中，开关固定滤波器预选器组采用分布式滤波技术在陶瓷基板上实现。该尺寸是根据市场上的过滤器产品估算的。评估中包含一个八掷开关，以比较等效功能。图中所示的可调谐BPF是ADMV8818，它覆盖相同的频率范围，并且比开关滤波器组具有更全面的调谐灵活性。与开关滤波器组相比，ADMV8818 节省了75% 以上的面积。接收器信号链中的预选器功能通常占系统总体尺寸的很大一部分，因此这种占地面积节省对于尺寸受限的电子战系统至关重要，因为电子战系统可以灵活地在尺寸与性能之间进行权衡。在它们之间做出权衡。

ADMV8913 是一款采用6 mm 3 mm 封装的高通和低通滤波器组合。它专门设计用于在8 Ghz 至12 GHz（X 频段）频率范围内运行，插入损耗低至5 dB。高通和低通滤波器均可通过16 种状态（4 个控制位）进行调谐，以调整3 dB 频率(f3 dB)。此外，ADMV8913还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 处理所需的时间。图14 显示了ADMV8913 的功能框图。

现代X 波段雷达系统，无论是使用机械操纵天线还是高通道数相控阵波束，通常都依赖于紧凑、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），非常适合此应用。这些功能使其能够放置在靠近这些系统前端的位置，确保卓越的性能，同时降低集成复杂性。

图13. 固定开关2 GHz 至18 GHz BPF（左）与数字可调谐2 GHz 至18 GHz BPF（右）。占地面积节省75%以上。

图14. ADMV8913 功能框图

综上所述

设计宽带接收器的射频前端时需要考虑许多因素。前端的设计必须能够处理不可预测的阻塞情况，同时仍然检测低电平信号。动态调整前端滤波性能以处理这些阻塞信号的能力是射频前端的一个关键特性。 ADI新推出的数控可调谐滤波器IC产品具有卓越的性能和增强的数字功能，可以满足众多前端应用的需求。这两款新产品只是数字可调谐滤波器产品组合众多新开发产品中的第一个。