使用無反射濾波器改善混頻系統(tǒng)性能

射頻系統(tǒng)工程師通常會(huì)利用一些簡(jiǎn)單粗暴的方法來處理這些影響，比如在敏感器件前后插入衰減器或隔離放大器。眾所周知，這些方法會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。我們可以利用雙工器一個(gè)端口來實(shí)現(xiàn)對(duì)阻帶反射信號(hào)的吸收，但這樣的過渡手段對(duì)設(shè)計(jì)電路有較大的空間需求，并且仍然會(huì)因?yàn)橐恍┓瓷湫盘?hào)造成阻抗失配。當(dāng)然我們也可以使用差分式濾波器（兩端口進(jìn)兩端口出，并且在輸入輸出端口上增加90°電橋?qū)崿F(xiàn)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換）來緩解阻帶反射信號(hào)的影響。但是這種技術(shù)使得濾波器的帶寬受制于電橋的帶寬，這使得這種設(shè)計(jì)不適合寬帶應(yīng)用。

為了消除濾波器阻帶中確實(shí)且普遍存在的反射信號(hào)，Mini-Circuits專門開發(fā)出了X系列無反射濾波器（已獲專利授權(quán)）。此系列濾波器采用了全新的濾波器架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)完全吸收或終止電路內(nèi)部所有不希望通過濾波器的阻帶信號(hào)，實(shí)現(xiàn)所有頻率上的反射系數(shù)為0。

原理：最小化的反射系數(shù)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍

在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)于傳統(tǒng)反射式濾波器常常產(chǎn)生的問題，無反射濾波器特別適用于配對(duì)那些敏感的非線性器件。舉一個(gè)典型案例，比如濾波器在混頻器輸出信號(hào)鏈路上的應(yīng)用?；祛l器會(huì)產(chǎn)生大量的無用混頻信號(hào)、來自本振的高次諧波以及其他無用頻率信號(hào)，這是必須濾除掉的。然而，如果使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的濾波器，可能會(huì)導(dǎo)致這些信號(hào)反射回混頻器中重新轉(zhuǎn)換，或是與有用信號(hào)進(jìn)行新的混頻，產(chǎn)生大量意想不到的無用信號(hào)。并且很可能這些無用信號(hào)正好處于濾波器通帶內(nèi)而無法濾除。

圖1 由多個(gè)濾波器反射而產(chǎn)生的典型互調(diào)過量

互調(diào)抑制一直是衡量混頻器設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。基于當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)達(dá)，我們可以通過利用高動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)效應(yīng)管成功實(shí)現(xiàn)了不同水平的互調(diào)抑制。然而，即使最好的混頻器也會(huì)在它的每個(gè)端口產(chǎn)生一些互調(diào)產(chǎn)物，并且這些互調(diào)產(chǎn)物會(huì)成為影響到周邊射頻鏈路中的因素。當(dāng)傳統(tǒng)濾波器要濾除這些互調(diào)產(chǎn)物時(shí)，他們會(huì)被完全反射回到混頻器，并與基波信號(hào)重新合成而產(chǎn)生大量的假信號(hào)。這些假信號(hào)會(huì)因?yàn)榭赡苈湓谒璧念l帶內(nèi)而通過濾波器輸出到中頻，進(jìn)而限制了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

若濾波器的帶外反射系數(shù)最小化，則反射回去的無用信號(hào)會(huì)減少，進(jìn)而假信號(hào)和互調(diào)產(chǎn)物會(huì)減小，從而改善整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖2 帶外反射信號(hào)減少進(jìn)而互調(diào)產(chǎn)物減少

理論驗(yàn)證

以下將組成測(cè)試電路對(duì)比傳統(tǒng)濾波器和無反射式濾波器分別配對(duì)相同混頻器的性能。

測(cè)試1：?jiǎn)屋斎胄盘?hào)的中頻信號(hào)輸出頻譜測(cè)試

依照?qǐng)D3所示測(cè)試電路，將測(cè)試3種不同狀態(tài)下從濾波器反射到混頻器輸出的信號(hào)頻譜：

狀態(tài)1：混頻器輸出端口直接輸出；

狀態(tài)2：混頻器輸出端口加傳統(tǒng)濾波器；

狀態(tài)3：混頻器輸出端口加無反射式濾波器。

圖3 單輸入信號(hào)的中頻信號(hào)輸出頻譜測(cè)試電路框圖

各個(gè)狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果如圖4~圖6所示。相較于混頻器直接輸出，加傳統(tǒng)濾波器能一定程度上減小反射信號(hào)，而無反射濾波器則幾乎消除了所有反射。從結(jié)果圖中我們可以看到在2GHz的頻點(diǎn)上，使用傳統(tǒng)濾波器的反射信號(hào)為-34.55dBm，而無反射式濾波器則為-66.12dBm。兩者相較，反射信號(hào)減小了超過30dB。其他頻點(diǎn)上的反射信號(hào)也被無反射式濾波器抑制和濾除。

圖4 混頻器直接輸出

圖5 混頻器加傳統(tǒng)濾波器后的輸出

圖6 混頻器加無反射式濾波器后的輸出

測(cè)試2：?jiǎn)屋斎胄盘?hào)的輸入頻譜測(cè)試

依照?qǐng)D7所示測(cè)試電路，將測(cè)試3種不同狀態(tài)下從混頻器反射到源端的信號(hào)頻譜：

狀態(tài)1：輸入信號(hào)直接輸入混頻器；

狀態(tài)2：輸入信號(hào)經(jīng)過傳統(tǒng)濾波器后輸入混頻器；

狀態(tài)3：輸入信號(hào)經(jīng)過無反射式濾波器后輸入混頻器。

圖7 單輸入信號(hào)的輸入頻譜測(cè)試電路框圖