【導(dǎo)讀】今天，無論是我們身邊的手機，還是工廠中的機器人，抑或是車載信息系統(tǒng)，都擁有越來越強大的數(shù)字處理器。不過，如果這些系統(tǒng)之間不能通過無線通信互聯(lián)互通，它們就僅僅是一個個彼此分離的信息孤島，其價值將大打折扣。而想要在數(shù)字電路和無線通信的天線之間，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，無論是我們身邊的手機，還是工廠中的機器人，抑或是車載信息系統(tǒng)，都擁有越來越強大的數(shù)字處理器。不過，如果這些系統(tǒng)之間不能通過無線通信互聯(lián)互通，它們就僅僅是一個個彼此分離的信息孤島，其價值將大打折扣。而想要在數(shù)字電路和無線通信的天線之間，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)，簡單的理解就是對高頻信號（通常指300kHz?300GHz）進行處理的技術(shù)，其作用就好似一個“快遞員”，將電子設(shè)備需要與外界進行通信的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)“打包”成無線信號并發(fā)送出去，同時也會將電子設(shè)備需要從外界獲得的無線信號接收下來并“拆包”成數(shù)字信息，交給后端的數(shù)字電路去做計算和處理。
由此不難理解，射頻系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩個部分：
發(fā)射端
通常由基帶處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、射頻前端和天線組成，其工作原理是：先由基帶處理器將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為射頻信號，并進行調(diào)制、編碼等處理，再由DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并通過射頻前端對模擬信號進行放大和濾波，而后由天線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)射端的一個逆過程：首先由天線接收射頻信號，再由射頻前端對射頻信號進行放大和濾波，接下來通過信號處理模塊對射頻信號進行放大、濾波、下變頻等處理，然后由ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，之后交給基帶處理器對數(shù)字信號進行解調(diào)、解碼等處理，還原出原始數(shù)據(jù)。
眾所周知，射頻系統(tǒng)的設(shè)計并不簡單。射頻工程師需要使用放大器、濾波器、衰減器、調(diào)制解調(diào)器、收發(fā)器、頻率合成器、時鐘、RF開關(guān)等各類射頻元器件，綜合考慮高頻信號處理、射頻前端設(shè)計、無線傳輸、多路復(fù)用、噪聲和干擾等諸多課題，往往需要反復(fù)的迭代優(yōu)化，才能完成設(shè)計。因此射頻設(shè)計往往會成為整個電子系統(tǒng)設(shè)計中的痛點。
不過好消息是，為了幫助工程師消除射頻設(shè)計這個“痛點”，今天的射頻技術(shù)供應(yīng)商通常會從三個方面提供支持：
通過豐富的產(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(shè)計資源，如設(shè)計工具、原型開發(fā)平臺和參考設(shè)計等，為射頻系統(tǒng)的開發(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帶來獨特的價值，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(yīng)商，Analog Devices（以下簡稱ADI）公司憑借先進的射頻技術(shù)能力、系統(tǒng)知識與工藝技術(shù)，不僅提供涵蓋整個RF信號鏈的全系列RF IC產(chǎn)品組合，以及豐富的設(shè)計資源，而且還聚焦射頻開發(fā)領(lǐng)域“痛點”問題，給出針對性的解決方案。
今天，我們就一起來看看面對RF和微波開發(fā)領(lǐng)域三個痛點問題，ADI是如何巧妙化解的。
靈活的數(shù)字可調(diào)諧濾波器
在射頻系統(tǒng)中，為了解決信號干擾問題，濾波器是必不可少的組件，其通過在通帶內(nèi)傳輸頻率和在阻帶內(nèi)抑制頻率來減少干擾信號并保留目標(biāo)信號。
為射頻系統(tǒng)設(shè)計濾波器時，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，需要在實際設(shè)計時進行細(xì)致的權(quán)衡取舍。
值得注意的是，近年來，基于半導(dǎo)體工藝的濾波器技術(shù)得到了長足的進步，支持的頻率范圍也越來越寬，其允許使用精確的溫度穩(wěn)定無功元件，品質(zhì)系數(shù)得到了改善，而且支持使用開關(guān)和可調(diào)諧無功元件，這也是一個優(yōu)于分立式集總元件濾波器的優(yōu)勢，為射頻系統(tǒng)設(shè)計提供了一種兼具高性能和高集成度的解決方案。
更進一步，如果將數(shù)字控制元件集成到半導(dǎo)體濾波器中，則可以打造出更具靈活性的數(shù)字調(diào)諧濾波器。簡單地講，數(shù)字調(diào)諧濾波器是一種基于數(shù)字信號處理技術(shù)的濾波器，其通過數(shù)字濾波算法實現(xiàn)對一定頻率范圍內(nèi)的信號進行選擇性地濾波，而且通過控制調(diào)諧電路的參數(shù)，還可根據(jù)設(shè)計需要對濾波性能進行調(diào)整。
這一特性，對于射頻系統(tǒng)的優(yōu)化十分有利。比如設(shè)計寬帶接收器的射頻前端時，要求處理難以預(yù)測的阻塞情況，同時還要檢測低電平信號，這就需要動態(tài)調(diào)整前端濾波性能，這時數(shù)字控制的可調(diào)諧濾波器IC產(chǎn)品就是一個理想的解決方案。
為此，ADI公司開發(fā)了全新的數(shù)字調(diào)諧濾波器產(chǎn)品系列，這些濾波器通過SPI接口進行配置，具有快速的RF開關(guān)速度，每個芯片內(nèi)加入了一個128種狀態(tài)的查詢表，以便快速改變?yōu)V波器狀態(tài)，實現(xiàn)快速跳頻應(yīng)用。這種高抑制快速調(diào)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，一個代表性的產(chǎn)品就是ADMV8818數(shù)字可調(diào)諧濾波器，這是一款單片式微波集成電路，配有4個獨立控制的高通濾波器（HPF）和4個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(gòu)，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。每個濾波器的數(shù)字邏輯控制的寬度為4位（16種狀態(tài)），通過控制片內(nèi)電抗元件來調(diào)節(jié)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(tǒng)諧波。
因此，ADMV8818可調(diào)諧濾波器可作為大型開關(guān)濾波器組和腔體調(diào)諧濾波器的小型替代方案，在射頻通信應(yīng)用中提供動態(tài)可調(diào)的濾波功能。
集成VCO的PLL頻率合成器
在射頻系統(tǒng)中，精準(zhǔn)、可靠的頻率產(chǎn)生器件是不可或缺的要素。比如，發(fā)射機和接收機會利用振蕩器和頻率合成器實現(xiàn)載波信號及上/下變頻本地振蕩器頻率的生成、對頻率調(diào)諧的輔助以及其他功能，可以說是整個射頻系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基石。
其中，頻率合成器的作用是從單個基準(zhǔn)頻率生成多個頻率，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?qū)碜哉袷幤鞯男盘栠M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的頻率合成器類型，PLL包含鑒相器，可將VCO（壓控振蕩器）頻率的N分頻與參考頻率進行比較，并使用該差值輸出信號調(diào)節(jié)施加于VCO調(diào)諧線路的DC控制電壓，由此即時校正頻率漂移，確保輸出頻率的穩(wěn)定性。
為了進一步提升集成度和簡化系統(tǒng)設(shè)計，目前集成VCO的頻率合成器在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，這種器件將PLL和VCO組合在單個封裝中，因此只需要外部參考和環(huán)路濾波器就能實現(xiàn)所需的功能，可以為通信、測試與測量和航空航天等應(yīng)用提供高性能的本振和時鐘源。
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、抖動和雜散性能，并且采用小尺寸封裝以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度。
ADF4377低抖動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、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(shù)、超低1/f噪聲和高相位頻率檢測器（PFD）頻率，可以實現(xiàn)超低的帶內(nèi)噪聲和集成抖動。基本VCO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(jié)省占板面積，十分適合于空間緊湊的應(yīng)用。
ADF4377還大大簡化了對齊和校準(zhǔn)程序，允許多組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以彼此精確對齊的時序進行信號采樣，這對新一代超寬帶多通道系統(tǒng)的運行至關(guān)重要。這些特性使得ADF4377非常適用于測試測量、無線基礎(chǔ)設(shè)施和高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)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通過發(fā)送一系列頻率和幅度可變的測試信號到被測設(shè)備中，并測量信號經(jīng)過該設(shè)備時的幅度和相位變化，來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(yīng)等，藉此了解電路或系統(tǒng)的性能，診斷問題并進行優(yōu)化。因此，VNA在無線通信、雷達系統(tǒng)、天線設(shè)計、微波電路等射頻應(yīng)用開發(fā)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
正是因為VNA的重要性和必要性，簡化VNA的設(shè)計，在確保高性能的前提下盡可能拉低VNA的成本就成了一個重要的課題。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，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，且電橋的主傳輸線路在RFIN至RFOUT范圍內(nèi)其寬帶阻抗匹配至50Ω，并具有平坦的頻率響應(yīng)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，可簡化VNA解決方案的時鐘設(shè)計并將該器件接口至模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。LO接口中的分頻器和倍頻器可以在驅(qū)動（LOP和LOM）引腳的電源工作頻率范圍外實現(xiàn)測量掃描。這樣，ADL5960可在整個20 GHz帶寬內(nèi)進行操作，同時將6 GHz頻率合成器用作LO源。通過（OFP和OFM）接口驅(qū)動的IF頻率偏移混頻器通過同一頻率源驅(qū)動（掃描的）RF和LO信號來實現(xiàn)進一步簡化。然后IF輸出信號頻率由驅(qū)動（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(qū)動此接口可自動居中第一奈奎斯特區(qū)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信號進行同步動態(tài)范圍優(yōu)化。IF放大器具有可調(diào)輸出共模電平以及足夠的驅(qū)動能力，可直接與各種ADC進行接口。
ADL5960中的所有配置和功能均可通過3線式SPI并使用ADI-SPI接口標(biāo)準(zhǔn)進行完全編程。
總的來說，ADL5960將VNA中極具挑戰(zhàn)性的電橋、RF、IF等部分都集成于其中，開發(fā)者只需要外接ADC和PLL本振就可以實現(xiàn)較為完整的功能，大大減小了VNA系統(tǒng)的尺寸，也簡化了設(shè)計工作，為開發(fā)多樣化的VNA產(chǎn)品提供更大的空間。
本文小結(jié)
對于電子工程師來說，射頻設(shè)計往往是“痛點中的痛點”。想要有效應(yīng)對射頻設(shè)計中的諸多挑戰(zhàn)，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(yīng)商所提供的資源，無疑是“站在巨人的肩膀上”，事半功倍。
從本文的三個實例中，你一定可以體會到，ADI豐富的產(chǎn)品線、設(shè)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(shè)計中的諸多痛點問題。
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