使用無(wú)反射濾波器改善混頻系統性能

射頻系統工程師通常會(huì )利用一些簡(jiǎn)單粗暴的方法來(lái)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(lái)實(shí)現對阻帶反射信號的吸收，但這樣的過(guò)渡手段對設計電路有較大的空間需求，并且仍然會(huì )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(jìn)兩端口出，并且在輸入輸出端口上增加90°電橋實(shí)現平衡-不平衡轉換）來(lái)緩解阻帶反射信號的影響。但是這種技術(shù)使得濾波器的帶寬受制于電橋的帶寬，這使得這種設計不適合寬帶應用。

為了消除濾波器阻帶中確實(shí)且普遍存在的反射信號，Mini-Circuits專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出了X系列無(wú)反射濾波器（已獲專(zhuān)利授權）。此系列濾波器采用了全新的濾波器架構，可以實(shí)現完全吸收或終止電路內部所有不希望通過(guò)濾波器的阻帶信號，實(shí)現所有頻率上的反射系數為0。

原理：最小化的反射系數改善系統動(dòng)態(tài)范圍

在電路設計中，對于傳統反射式濾波器常常產(chǎn)生的問(wèn)題，無(wú)反射濾波器特別適用于配對那些敏感的非線(xiàn)性器件。舉一個(gè)典型案例，比如濾波器在混頻器輸出信號鏈路上的應用?；祛l器會(huì )產(chǎn)生大量的無(wú)用混頻信號、來(lái)自本振的高次諧波以及其他無(wú)用頻率信號，這是必須濾除掉的。然而，如果使用傳統設計的濾波器，可能會(huì )導致這些信號反射回混頻器中重新轉換，或是與有用信號進(jìn)行新的混頻，產(chǎn)生大量意想不到的無(wú)用信號。并且很可能這些無(wú)用信號正好處于濾波器通帶內而無(wú)法濾除。

圖1 由多個(gè)濾波器反射而產(chǎn)生的典型互調過(guò)量

互調抑制一直是衡量混頻器設計的目標之一?；诋斍鞍雽w工業(yè)的發(fā)達，我們可以通過(guò)利用高動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)效應管成功實(shí)現了不同水平的互調抑制。然而，即使最好的混頻器也會(huì )在它的每個(gè)端口產(chǎn)生一些互調產(chǎn)物，并且這些互調產(chǎn)物會(huì )成為影響到周邊射頻鏈路中的因素。當傳統濾波器要濾除這些互調產(chǎn)物時(shí)，他們會(huì )被完全反射回到混頻器，并與基波信號重新合成而產(chǎn)生大量的假信號。這些假信號會(huì )因為可能落在所需的頻帶內而通過(guò)濾波器輸出到中頻，進(jìn)而限制了整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)范圍。

若濾波器的帶外反射系數最小化，則反射回去的無(wú)用信號會(huì )減少，進(jìn)而假信號和互調產(chǎn)物會(huì )減小，從而改善整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)范圍。

圖2 帶外反射信號減少進(jìn)而互調產(chǎn)物減少

理論驗證

以下將組成測試電路對比傳統濾波器和無(wú)反射式濾波器分別配對相同混頻器的性能。

測試1：?jiǎn)屋斎胄盘柕闹蓄l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濾波器；

狀態(tài)3：混頻器輸出端口加無(wú)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(gè)狀態(tài)的測試結果如圖4~圖6所示。相較于混頻器直接輸出，加傳統濾波器能一定程度上減小反射信號，而無(wú)反射濾波器則幾乎消除了所有反射。從結果圖中我們可以看到在2GHz的頻點(diǎn)上，使用傳統濾波器的反射信號為-34.55dBm，而無(wú)反射式濾波器則為-66.12dBm。兩者相較，反射信號減小了超過(guò)30dB。其他頻點(diǎn)上的反射信號也被無(wú)反射式濾波器抑制和濾除。

圖4 混頻器直接輸出

圖5 混頻器加傳統濾波器后的輸出

圖6 混頻器加無(wú)反射式濾波器后的輸出

測試2：?jiǎn)屋斎胄盘柕妮斎腩l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(guò)傳統濾波器后輸入混頻器；

狀態(tài)3：輸入信號經(jīng)過(guò)無(wú)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