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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）技術的加持。
所謂射頻技術，簡單的理解就是對高頻信號（通常指300kHz?300GHz）進行處理的技術，其作用就好似一個“快遞員”，將電子設備需要與外界進行通信的數(shù)字數(shù)據(jù)“打包”成無線信號并發(fā)送出去，同時也會將電子設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)字數(shù)據(jù)轉換為射頻信號，并進行調制、編碼等處理，再由DAC將數(shù)字信號轉換為模擬信號，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、解碼等處理，還原出原始數(shù)據(jù)。
眾所周知，射頻系統(tǒng)的設計并不簡單。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、時鐘、RF開關等各類射頻元器件，綜合考慮高頻信號處理、射頻前端設計、無線傳輸、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成為整個電子系統(tǒng)設計中的痛點。
不過好消息是，為了幫助工程師消除射頻設計這個“痛點”，今天的射頻技術供應商通常會從三個方面提供支持：
1、通過豐富的產品組合，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品之間的工作量和風險。
2、配套豐富的設計資源，如設計工具、原型開發(fā)平臺和參考設計等，為射頻系統(tǒng)的開發(fā)提供更大的便利。
3、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。
圖1：射頻系統(tǒng)示意圖（圖源：Analog Devices）
作為射頻和微波領域的知名技術供應商，Analog Devices（以下簡稱ADI）公司憑借先進的射頻技術能力、系統(tǒng)知識與工藝技術，不僅提供涵蓋整個RF信號鏈的全系列RF IC產品組合，以及豐富的設計資源，而且還聚焦射頻開發(fā)領域“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)領域三個痛點問題，ADI是如何巧妙化解的。
靈活的數(shù)字可調諧濾波器
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，其通過在通帶內傳輸頻率和在阻帶內抑制頻率來減少干擾信號并保留目標信號。
為射頻系統(tǒng)設計濾波器時，有很多技術路徑可供選擇，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，需要在實際設計時進行細致的權衡取舍。
值得注意的是，近年來，基于半導體工藝的濾波器技術得到了長足的進步，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，品質系數(shù)得到了改善，而且支持使用開關和可調諧無功元件，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)設計提供了一種兼具高性能和高集成度的解決方案。
表1：不同類型濾波器的比較（資料來源：Analog Devices）
更進一步，如果將數(shù)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(shù)字調諧濾波器。簡單地講，數(shù)字調諧濾波器是一種基于數(shù)字信號處理技術的濾波器，其通過數(shù)字濾波算法實現(xiàn)對一定頻率范圍內的信號進行選擇性地濾波，而且通過控制調諧電路的參數(shù)，還可根據(jù)設計需要對濾波性能進行調整。
這一特性，對于射頻系統(tǒng)的優(yōu)化十分有利。比如設計寬帶接收器的射頻前端時，要求處理難以預測的阻塞情況，同時還要檢測低電平信號，這就需要動態(tài)調整前端濾波性能，這時數(shù)字控制的可調諧濾波器IC產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)字調諧濾波器產品系列，這些濾波器通過SPI接口進行配置，具有快速的RF開關速度，每個芯片內加入了一個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。
圖2：ADMV8818數(shù)字可調諧濾波器（圖源：Analog Devices）
其中，一個代表性的產品就是ADMV8818數(shù)字可調諧濾波器，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，可以獨立控制高通和低通濾波器的3dB截止頻率 (f3dB)，以產生高達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)），通過控制片內電抗元件來調節(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。
圖3：ADMV8818功能框圖（圖源：Analog Devices）
因此，ADMV8818可調諧濾波器可作為大型開關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態(tài)可調的濾波功能。
圖4：ADMV8818配置為6GHz至9GHz帶通濾波器（圖源：Analog Devices）
集成VCO的PLL頻率合成器
在射頻系統(tǒng)中，精準、可靠的頻率產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，生成信號或對來自振蕩器的信號進行“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節(jié)施加于VCO調諧線路的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)設計，目前集成VCO的頻率合成器在射頻系統(tǒng)中的應用也越來越廣泛，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。
圖5：ADF4437低抖動微波寬帶合成器（圖源：Analog Devices）
ADF4377低抖動微波寬帶合成器就是該產品家族中的一員，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)超低的帶內噪聲和集成抖動?；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(jié)省占板面積，十分適合于空間緊湊的應用。
ADF4377還大大簡化了對齊和校準程序，允許多組數(shù)據(jù)轉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)的運行至關重要。這些特性使得ADF4377非常適用于測試測量、無線基礎設施和高性能數(shù)據(jù)轉換器等應用。
圖6：ADF4437功能框圖（圖源：Analog Devices）
緊湊的高性能VNA前端
眾所周知，矢量網(wǎng)絡分析儀(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備中，并測量信號經過該設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)、天線設計、微波電路等射頻應用開發(fā)中都發(fā)揮著關鍵作用。
正是因為VNA的重要性和必要性，簡化VNA的設計，在確保高性能的前提下盡可能拉低VNA的成本就成了一個重要的課題。
圖7：ADL5960寬帶矢量網(wǎng)絡分析儀前端（圖源：Analog Devices）
為了應對這一挑戰(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（圖源：Analog Devices）
ADL5960支持幾種不同的LO接口配置，可簡化VNA解決方案的時鐘設計并將該器件接口至模數(shù)轉換器 (ADC)。LO接口中的分頻器和倍頻器可以在驅動（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）接口驅動的IF頻率偏移混頻器通過同一頻率源驅動（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放大器具有可調輸出共模電平以及足夠的驅動能力，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接口標準進行完全編程。
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，也簡化了設計工作，為開發(fā)多樣化的VNA產品提供更大的空間。
本文小結
對于電子工程師來說，射頻設計往往是“痛點中的痛點”。想要有效應對射頻設計中的諸多挑戰(zhàn)，除了工程師自身不斷積累知識和經驗，充分利用知名射頻技術供應商所提供的資源，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豐富的產品線、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問題。想要進一步挖掘ADI在射頻領域的寶藏資源，就來貿澤網(wǎng)站上相關的技術專題中淘寶吧
