【導讀】今天，無(wú)論是我們身邊的手機，還是工廠(chǎng)中的機器人，抑或是車(chē)載信息系統，都擁有越來(lái)越強大的數字處理器。不過(guò)，如果這些系統之間不能通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信互聯(lián)互通，它們就僅僅是一個(gè)個(gè)彼此分離的信息孤島，其價(jià)值將大打折扣。而想要在數字電路和無(wú)線(xiàn)通信的天線(xiàn)之間，建立起高速可靠的信號鏈，則少不了射頻（RF）技術(shù)的加持。
今天，無(wú)論是我們身邊的手機，還是工廠(chǎng)中的機器人，抑或是車(chē)載信息系統，都擁有越來(lái)越強大的數字處理器。不過(guò)，如果這些系統之間不能通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信互聯(lián)互通，它們就僅僅是一個(gè)個(gè)彼此分離的信息孤島，其價(jià)值將大打折扣。而想要在數字電路和無(wú)線(xiàn)通信的天線(xiàn)之間，建立起高速可靠的信號鏈，則少不了射頻（RF）技術(shù)的加持。
所謂射頻技術(shù)，簡(jiǎn)單的理解就是對高頻信號（通常指300kHz?300GHz）進(jìn)行處理的技術(shù)，其作用就好似一個(gè)“快遞員”，將電子設備需要與外界進(jìn)行通信的數字數據“打包”成無(wú)線(xiàn)信號并發(fā)送出去，同時(shí)也會(huì )將電子設備需要從外界獲得的無(wú)線(xiàn)信號接收下來(lái)并“拆包”成數字信息，交給后端的數字電路去做計算和處理。
由此不難理解，射頻系統包括發(fā)射端和接收端兩個(gè)部分：
發(fā)射端
通常由基帶處理器、數模轉換器（DAC）、射頻前端和天線(xiàn)組成，其工作原理是：先由基帶處理器將數字數據轉換為射頻信號，并進(jìn)行調制、編碼等處理，再由DAC將數字信號轉換為模擬信號，并通過(guò)射頻前端對模擬信號進(jìn)行放大和濾波，而后由天線(xiàn)將處理后的射頻信號以電磁波的形式發(fā)射出去。
接收端
其可以看做是發(fā)射端的一個(gè)逆過(guò)程：首先由天線(xiàn)接收射頻信號，再由射頻前端對射頻信號進(jìn)行放大和濾波，接下來(lái)通過(guò)信號處理模塊對射頻信號進(jìn)行放大、濾波、下變頻等處理，然后由ADC將模擬信號轉換為數字信號，之后交給基帶處理器對數字信號進(jìn)行解調、解碼等處理，還原出原始數據。
眾所周知，射頻系統的設計并不簡(jiǎn)單。射頻工程師需要使用放大器、濾波器、衰減器、調制解調器、收發(fā)器、頻率合成器、時(shí)鐘、RF開(kāi)關(guān)等各類(lèi)射頻元器件，綜合考慮高頻信號處理、射頻前端設計、無(wú)線(xiàn)傳輸、多路復用、噪聲和干擾等諸多課題，往往需要反復的迭代優(yōu)化，才能完成設計。因此射頻設計往往會(huì )成為整個(gè)電子系統設計中的痛點(diǎn)。
不過(guò)好消息是，為了幫助工程師消除射頻設計這個(gè)“痛點(diǎn)”，今天的射頻技術(shù)供應商通常會(huì )從三個(gè)方面提供支持：
通過(guò)豐富的產(chǎn)品組合，提供一站式的解決方案，更大限度地減少工程師在整合不同品牌產(chǎn)品之間的工作量和風(fēng)險。
配套豐富的設計資源，如設計工具、原型開(kāi)發(fā)平臺和參考設計等，為射頻系統的開(kāi)發(fā)提供更大的便利。
提供深度優(yōu)化的解決方案，在性能、集成度、小型化、靈活性等方面為客戶(hù)帶來(lái)獨特的價(jià)值，建立差異化優(yōu)勢。
作為射頻和微波領(lǐng)域的知名技術(shù)供應商，Analog Devices（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ADI）公司憑借先進(jìn)的射頻技術(shù)能力、系統知識與工藝技術(shù)，不僅提供涵蓋整個(gè)RF信號鏈的全系列RF IC產(chǎn)品組合，以及豐富的設計資源，而且還聚焦射頻開(kāi)發(fā)領(lǐng)域“痛點(diǎn)”問(wèn)題，給出針對性的解決方案。
今天，我們就一起來(lái)看看面對RF和微波開(kāi)發(fā)領(lǐng)域三個(gè)痛點(diǎn)問(wèn)題，ADI是如何巧妙化解的。
靈活的數字可調諧濾波器
在射頻系統中，為了解決信號干擾問(wèn)題，濾波器是必不可少的組件，其通過(guò)在通帶內傳輸頻率和在阻帶內抑制頻率來(lái)減少干擾信號并保留目標信號。
為射頻系統設計濾波器時(shí)，有很多技術(shù)路徑可供選擇，比如：帶有表面貼裝元件的分立式集總元件濾波器、包含PCB傳輸線(xiàn)的分布式元件濾波器、體聲波（BAW）和表面聲波（SAW）濾波器、低溫共燒陶瓷（LTCC）濾波器、腔體濾波器以及陶瓷諧振器等。這些濾波器各具特色，需要在實(shí)際設計時(shí)進(jìn)行細致的權衡取舍。
值得注意的是，近年來(lái)，基于半導體工藝的濾波器技術(shù)得到了長(cháng)足的進(jìn)步，支持的頻率范圍也越來(lái)越寬，其允許使用精確的溫度穩定無(wú)功元件，品質(zhì)系數得到了改善，而且支持使用開(kāi)關(guān)和可調諧無(wú)功元件，這也是一個(gè)優(yōu)于分立式集總元件濾波器的優(yōu)勢，為射頻系統設計提供了一種兼具高性能和高集成度的解決方案。
更進(jìn)一步，如果將數字控制元件集成到半導體濾波器中，則可以打造出更具靈活性的數字調諧濾波器。簡(jiǎn)單地講，數字調諧濾波器是一種基于數字信號處理技術(shù)的濾波器，其通過(guò)數字濾波算法實(shí)現對一定頻率范圍內的信號進(jìn)行選擇性地濾波，而且通過(guò)控制調諧電路的參數，還可根據設計需要對濾波性能進(jìn)行調整。
這一特性，對于射頻系統的優(yōu)化十分有利。比如設計寬帶接收器的射頻前端時(shí)，要求處理難以預測的阻塞情況，同時(shí)還要檢測低電平信號，這就需要動(dòng)態(tài)調整前端濾波性能，這時(shí)數字控制的可調諧濾波器IC產(chǎn)品就是一個(gè)理想的解決方案。
為此，ADI公司開(kāi)發(fā)了全新的數字調諧濾波器產(chǎn)品系列，這些濾波器通過(guò)SPI接口進(jìn)行配置，具有快速的RF開(kāi)關(guān)速度，每個(gè)芯片內加入了一個(gè)128種狀態(tài)的查詢(xún)表，以便快速改變?yōu)V波器狀態(tài)，實(shí)現快速跳頻應用。這種高抑制快速調諧與寬頻率覆蓋的特性，使得接收器能夠在不利的頻譜環(huán)境中運行。
其中，一個(gè)代表性的產(chǎn)品就是ADMV8818數字可調諧濾波器，這是一款單片式微波集成電路，配有4個(gè)獨立控制的高通濾波器（HPF）和4個(gè)獨立控制的低通濾波器（LPF），工作頻率范圍為2GHz至18GHz。
ADMV8818采用靈活的架構，可以獨立控制高通和低通濾波器的3dB截止頻率 (f3dB)，以產(chǎn)生高達4GHz帶寬。每個(gè)濾波器的數字邏輯控制的寬度為4位（16種狀態(tài)），通過(guò)控制片內電抗元件來(lái)調節f3dB。該濾波器典型插入損耗為9dB，寬帶抑制為35 dB，可較大限度地降低系統諧波。
因此，ADMV8818可調諧濾波器可作為大型開(kāi)關(guān)濾波器組和腔體調諧濾波器的小型替代方案，在射頻通信應用中提供動(dòng)態(tài)可調的濾波功能。
集成VCO的PLL頻率合成器
在射頻系統中，精準、可靠的頻率產(chǎn)生器件是不可或缺的要素。比如，發(fā)射機和接收機會(huì )利用振蕩器和頻率合成器實(shí)現載波信號及上/下變頻本地振蕩器頻率的生成、對頻率調諧的輔助以及其他功能，可以說(shuō)是整個(gè)射頻系統穩定工作的基石。
其中，頻率合成器的作用是從單個(gè)基準頻率生成多個(gè)頻率，其通常利用倍頻/分頻、混頻或鎖相環(huán)等不同技術(shù)，生成信號或對來(lái)自振蕩器的信號進(jìn)行“加工”，輸出所需的頻率。
PLL（鎖相環(huán)）頻率合成器是一種常見(jiàn)的頻率合成器類(lèi)型，PLL包含鑒相器，可將VCO（壓控振蕩器）頻率的N分頻與參考頻率進(jìn)行比較，并使用該差值輸出信號調節施加于VCO調諧線(xiàn)路的DC控制電壓，由此即時(shí)校正頻率漂移，確保輸出頻率的穩定性。
為了進(jìn)一步提升集成度和簡(jiǎn)化系統設計，目前集成VCO的頻率合成器在射頻系統中的應用也越來(lái)越廣泛，這種器件將PLL和VCO組合在單個(gè)封裝中，因此只需要外部參考和環(huán)路濾波器就能實(shí)現所需的功能，可以為通信、測試與測量和航空航天等應用提供高性能的本振和時(shí)鐘源。
圍繞集成VCO的PLL頻率合成器，ADI提供了一系列產(chǎn)品組合，包括窄帶和寬帶器件，支持高達13.6 GHz的頻率，它們都具有出色的相位噪聲、抖動(dòng)和雜散性能，并且采用小尺寸封裝以實(shí)現更高的系統集成度。
ADF4377低抖動(dòng)微波寬帶合成器就是該產(chǎn)品家族中的一員，這是一款高性能、超低抖動(dòng)、雙輸出集成N相PLL，集成有VCO，其中高性能PLL具有-239dBc/Hz的品質(zhì)因數、超低1/f噪聲和高相位頻率檢測器（PFD）頻率，可以實(shí)現超低的帶內噪聲和集成抖動(dòng)?；綱CO和輸出分頻器可生成800MHz至12.8GHz頻率。此外，ADF4377合成器還集成了電源旁路電容器，可有效節省占板面積，十分適合于空間緊湊的應用。
ADF4377還大大簡(jiǎn)化了對齊和校準程序，允許多組數據轉換器以彼此精確對齊的時(shí)序進(jìn)行信號采樣，這對新一代超寬帶多通道系統的運行至關(guān)重要。這些特性使得ADF4377非常適用于測試測量、無(wú)線(xiàn)基礎設施和高性能數據轉換器等應用。
緊湊的高性能VNA前端
眾所周知，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)是射頻工程師案頭必不可少的工具。VNA通過(guò)發(fā)送一系列頻率和幅度可變的測試信號到被測設備中，并測量信號經(jīng)過(guò)該設備時(shí)的幅度和相位變化，來(lái)評估信號在不同頻率下的反射和傳輸特性，包括幅度衰減、相位變化、頻率響應等，藉此了解電路或系統的性能，診斷問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化。因此，VNA在無(wú)線(xiàn)通信、雷達系統、天線(xiàn)設計、微波電路等射頻應用開(kāi)發(fā)中都發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。
正是因為VNA的重要性和必要性，簡(jiǎn)化VNA的設計，在確保高性能的前提下盡可能拉低VNA的成本就成了一個(gè)重要的課題。
為了應對這一挑戰，ADI推出了一款高集成度的解決方案——ADL5960寬帶矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀前端，其包括電阻雙向橋、下變頻混頻器、可編程IF放大器和濾波器以及高度靈活的本振 (LO) 接口。該電橋在高達17 GHz的頻率下提供>10 dB的方向性，且電橋的主傳輸線(xiàn)路在RFIN至RFOUT范圍內其寬帶阻抗匹配至50Ω，并具有平坦的頻率響應和<2.5dB的典型插入損耗。
圖8：ADL5960功能框圖
ADL5960支持幾種不同的LO接口配置，可簡(jiǎn)化VNA解決方案的時(shí)鐘設計并將該器件接口至模數轉換器 (ADC)。LO接口中的分頻器和倍頻器可以在驅動(dòng)（LOP和LOM）引腳的電源工作頻率范圍外實(shí)現測量掃描。這樣，ADL5960可在整個(gè)20 GHz帶寬內進(jìn)行操作，同時(shí)將6 GHz頻率合成器用作LO源。通過(guò)（OFP和OFM）接口驅動(dòng)的IF頻率偏移混頻器通過(guò)同一頻率源驅動(dòng)（掃描的）RF和LO信號來(lái)實(shí)現進(jìn)一步簡(jiǎn)化。然后IF輸出信號頻率由驅動(dòng)（OFP和OFM）接口的低頻源確定。在使能4分頻的情況下，以ADC采樣頻率驅動(dòng)此接口可自動(dòng)居中第一奈奎斯特區中的IF輸出信號。
ADL5960中具有可編程帶寬的IF濾波器以及具有可單獨編程增益的IF放大器，可對入射通道（IFFP和IFFM）和反向通道（IFRP和IFRM）IF接口上的IF信號進(jìn)行同步動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化。IF放大器具有可調輸出共模電平以及足夠的驅動(dòng)能力，可直接與各種ADC進(jìn)行接口。
ADL5960中的所有配置和功能均可通過(guò)3線(xiàn)式SPI并使用ADI-SPI接口標準進(jìn)行完全編程。
總的來(lái)說(shuō)，ADL5960將VNA中極具挑戰性的電橋、RF、IF等部分都集成于其中，開(kāi)發(fā)者只需要外接ADC和PLL本振就可以實(shí)現較為完整的功能，大大減小了VNA系統的尺寸，也簡(jiǎn)化了設計工作，為開(kāi)發(fā)多樣化的VNA產(chǎn)品提供更大的空間。
本文小結
對于電子工程師來(lái)說(shuō)，射頻設計往往是“痛點(diǎn)中的痛點(diǎn)”。想要有效應對射頻設計中的諸多挑戰，除了工程師自身不斷積累知識和經(jīng)驗，充分利用知名射頻技術(shù)供應商所提供的資源，無(wú)疑是“站在巨人的肩膀上”，事半功倍。
從本文的三個(gè)實(shí)例中，你一定可以體會(huì )到，ADI豐富的產(chǎn)品線(xiàn)、設計資源，以及深度優(yōu)化的解決方案，可以助力工程師一站式解決射頻設計中的諸多痛點(diǎn)問(wèn)題。
本文轉載自：貿澤電子
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