【導讀】傳統(tǒng)的濾波器設計電路，是通過阻帶把不希望通過的信號反射回源。在大部分應用中，這些反射回源的信號會造成諸如互調(diào)產(chǎn)物、增益波動等影響系統(tǒng)性能的問題。類似混頻器這樣的非線性器件對帶外信號會產(chǎn)生響應，且對傳統(tǒng)濾波器導致的反射信號高度敏感。設計接近或者滿足混頻器定義帶寬和抑制諧波需求的濾波器，是一項巨大的挑戰(zhàn)。
射頻系統(tǒng)工程師通常會利用一些簡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，這些方法會降低整個系統(tǒng)的信噪比和動態(tài)范圍。我們可以利用雙工器一個端口來實現(xiàn)對阻帶反射信號的吸收，但這樣的過渡手段對設計電路有較大的空間需求，并且仍然會因為一些反射信號造成阻抗失配。當然我們也可以使用差分式濾波器（兩端口進兩端口出，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的影響。但是這種技術使得濾波器的帶寬受制于電橋的帶寬，這使得這種設計不適合寬帶應用。
為了消除濾波器阻帶中確實且普遍存在的反射信號，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，實現(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)動態(tài)范圍
在電路設計中，對于傳統(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那些敏感的非線性器件。舉一個典型案例，比如濾波器在混頻器輸出信號鏈路上的應用。混頻器會產(chǎn)生大量的無用混頻信號、來自本振的高次諧波以及其他無用頻率信號，這是必須濾除掉的。然而，如果使用傳統(tǒng)設計的濾波器，可能會導致這些信號反射回混頻器中重新轉(zhuǎn)換，或是與有用信號進行新的混頻，產(chǎn)生大量意想不到的無用信號。并且很可能這些無用信號正好處于濾波器通帶內(nèi)而無法濾除。
圖1 由多個濾波器反射而產(chǎn)生的典型互調(diào)過量
互調(diào)抑制一直是衡量混頻器設計的目標之一。基于當前半導體工業(yè)的發(fā)達，我們可以通過利用高動態(tài)范圍的場效應管成功實現(xiàn)了不同水平的互調(diào)抑制。然而，即使最好的混頻器也會在它的每個端口產(chǎn)生一些互調(diào)產(chǎn)物，并且這些互調(diào)產(chǎn)物會成為影響到周邊射頻鏈路中的因素。當傳統(tǒng)濾波器要濾除這些互調(diào)產(chǎn)物時，他們會被完全反射回到混頻器，并與基波信號重新合成而產(chǎn)生大量的假信號。這些假信號會因為可能落在所需的頻帶內(nèi)而通過濾波器輸出到中頻，進而限制了整個系統(tǒng)的動態(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會減少，進而假信號和互調(diào)產(chǎn)物會減小，從而改善整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍。
圖2 帶外反射信號減少進而互調(diào)產(chǎn)物減少
理論驗證
以下將組成測試電路對比傳統(tǒng)濾波器和無反射式濾波器分別配對相同混頻器的性能。
測試1：單輸入信號的中頻信號輸出頻譜測試
依照圖3所示測試電路，將測試3種不同狀態(tài)下從濾波器反射到混頻器輸出的信號頻譜：
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 單輸入信號的中頻信號輸出頻譜測試電路框圖
各個狀態(tài)的測試結(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，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的頻點上，使用傳統(tǒng)濾波器的反射信號為-34.55dBm，而無反射式濾波器則為-66.12dBm。兩者相較，反射信號減小了超過30dB。其他頻點上的反射信號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
測試2：單輸入信號的輸入頻譜測試
依照圖7所示測試電路，將測試3種不同狀態(tài)下從混頻器反射到源端的信號頻譜：
狀態(tài)1：輸入信號直接輸入混頻器；
狀態(tài)2：輸入信號經(jīng)過傳統(tǒng)濾波器后輸入混頻器；
狀態(tài)3：輸入信號經(jīng)過無反射式濾波器后輸入混頻器。
圖7 單輸入信號的輸入頻譜測試電路框圖
在本項測試中，使用無反射式濾波器并沒有明顯地體現(xiàn)出系統(tǒng)性能的差異，但我們認為這項測試仍然有重要的意義。在進行標稱測量的過程中，雖然混頻器輸入端的反射信號沒有出現(xiàn)顯著下降或上升，但是加無反射式濾波器與輸入端不加濾波器的混頻器輸入端口反射特性卻顯示出了驚人的一致性。這意味著無反射式濾波器的輸出端產(chǎn)生的影響幾乎不會增加或減小混頻器輸入端口本身的反射信號。這個結(jié)果表明使用無反射式濾波器讓混頻器輸入端口的信號狀況變得更加容易預測。
我們可以在表1中清晰地看到混頻器輸入端不加濾波器和加兩種濾波器的差值。可以看到，無反射式濾波器用在混頻器輸入端時，差值變化較小。
備注：
MR=輸入信號直接輸入混頻器；
CR=輸入信號經(jīng)過傳統(tǒng)濾波器后輸入混頻器；
RR=輸入信號經(jīng)過無反射式濾波器后輸入混頻器。
圖8 輸入信號直接輸入混頻器的反射效果
圖9 輸入信號經(jīng)過傳統(tǒng)濾波器后輸入混頻器的反射效果
圖10 輸入信號經(jīng)過無反射式濾波器后輸入混頻器的反射效果
測試3：變頻損耗及IP3測試（輸入信號及本振信號掃頻狀態(tài)）
測試框圖如圖11所示。其中，RF1信號用于變頻損耗測試，RF2信號用于干擾RF1和IP3測試。將測試以下3種不同狀態(tài)：
狀態(tài)1：混頻器輸出端不加濾波器；
狀態(tài)2：混頻器輸出端加傳統(tǒng)濾波器；
狀態(tài)3：混頻器輸出端加無反射式濾波器。
圖11 變頻損耗測試及IP3測試框圖
變頻損耗和輸入IP3的曲線如圖12~圖13所示，其中黑線表示混頻器直接輸出，紅線表示混頻器配對傳統(tǒng)濾波器后輸出，藍線表示混頻器配對無反射式濾波器后輸出。變頻損耗曲線顯示，當混頻器與傳統(tǒng)濾波器配對時，由于傳統(tǒng)濾波器反射回來的信號引起的性能變化，在某些頻點上變頻損耗大于混頻器直接輸出，而某些頻點的變頻損耗小于混頻器直接輸出。當使用無反射式濾波器時，可以看到除了無反射式濾波器本身損耗，其變頻損耗曲線與混頻器直接輸出基本一致。
同樣的，在IP3的測試曲線也顯示了混頻器輸出端配對傳統(tǒng)濾波器后導致的不穩(wěn)定曲線。而使用無反射式濾波器配對混頻器的輸出端則使得IP3性能與混頻器本身的IP3性能保持一致。
這兩種試驗結(jié)果再次表明，選用吸收式濾波器來配對混頻器可以讓系統(tǒng)性能獲得更加優(yōu)異的一致性和可預測性。
圖12 變頻損耗測試曲線對比圖
圖13 IP3測試曲線對比圖
結(jié)論
比較混頻器配對傳統(tǒng)濾波器和無反射式濾波器的系統(tǒng)性能，可以發(fā)現(xiàn)無反射式濾波器幾乎消除了混頻器輸出端的反射信號。此外，與無反射式濾波器配對可以使得混頻器的輸入端反射信號變得更容易預測，且變頻損耗和IP3指標與混頻器本身直接輸出的指標相近，不會造成額外的影響。以上的試驗結(jié)果表明，如果想要混頻器電路獲得更好的系統(tǒng)性能，應該使用無反射式濾波器來替換現(xiàn)有傳統(tǒng)濾波器。
