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使用无反射滤波器改善混频系统性能

发布时间:2015-11-26 来源:eefocus 责任编辑:susan

【导读】传统的滤波器设计电路,是通过阻带把不希望通过的信号反射回源。在大部分应用中,这些反射回源的信号会造成诸如互调产物、增益波动等影响系统性能的问题。类似混频器这样的非线性器件对带外信号会产生响应,且对传统滤波器导致的反射信号高度敏感。设计接近或者满足混频器定义带宽和抑制谐波需求的滤波器,是一项巨大的挑战。
 
射频系统工程师通常会利用一些简单粗暴的方法来处理这些影响,比如在敏感器件前后插入衰减器或隔离放大器。众所周知,这些方法会降低整个系统的信噪比和动态范围。我们可以利用双工器一个端口来实现对阻带反射信号的吸收,但这样的过渡手段对设计电路有较大的空间需求,并且仍然会因为一些反射信号造成阻抗失配。当然我们也可以使用差分式滤波器(两端口进两端口出,并且在输入输出端口上增加90°电桥实现平衡-不平衡转换)来缓解阻带反射信号的影响。但是这种技术使得滤波器的带宽受制于电桥的带宽,这使得这种设计不适合宽带应用。
 
为了消除滤波器阻带中确实且普遍存在的反射信号,Mini-Circuits专门开发出了X系列无反射滤波器(已获专利授权)。此系列滤波器采用了全新的滤波器架构,可以实现完全吸收或终止电路内部所有不希望通过滤波器的阻带信号,实现所有频率上的反射系数为0。
 
原理:最小化的反射系数改善系统动态范围
 
在电路设计中,对于传统反射式滤波器常常产生的问题,无反射滤波器特别适用于配对那些敏感的非线性器件。举一个典型案例,比如滤波器在混频器输出信号链路上的应用。混频器会产生大量的无用混频信号、来自本振的高次谐波以及其他无用频率信号,这是必须滤除掉的。然而,如果使用传统设计的滤波器,可能会导致这些信号反射回混频器中重新转换,或是与有用信号进行新的混频,产生大量意想不到的无用信号。并且很可能这些无用信号正好处于滤波器通带内而无法滤除。
 
图1 由多个滤波器反射而产生的典型互调过量
 
互调抑制一直是衡量混频器设计的目标之一。基于当前半导体工业的发达,我们可以通过利用高动态范围的场效应管成功实现了不同水平的互调抑制。然而,即使最好的混频器也会在它的每个端口产生一些互调产物,并且这些互调产物会成为影响到周边射频链路中的因素。当传统滤波器要滤除这些互调产物时,他们会被完全反射回到混频器,并与基波信号重新合成而产生大量的假信号。这些假信号会因为可能落在所需的频带内而通过滤波器输出到中频,进而限制了整个系统的动态范围。
 
若滤波器的带外反射系数最小化,则反射回去的无用信号会减少,进而假信号和互调产物会减小,从而改善整个系统的动态范围。
 
图2 带外反射信号减少进而互调产物减少
 
理论验证
 
以下将组成测试电路对比传统滤波器和无反射式滤波器分别配对相同混频器的性能。
 
测试1:单输入信号的中频信号输出频谱测试
 
依照图3所示测试电路,将测试3种不同状态下从滤波器反射到混频器输出的信号频谱:
状态1:混频器输出端口直接输出;
状态2:混频器输出端口加传统滤波器;
状态3:混频器输出端口加无反射式滤波器。
 
图3 单输入信号的中频信号输出频谱测试电路框图
 
各个状态的测试结果如图4~图6所示。相较于混频器直接输出,加传统滤波器能一定程度上减小反射信号,而无反射滤波器则几乎消除了所有反射。从结果图中我们可以看到在2GHz的频点上,使用传统滤波器的反射信号为-34.55dBm,而无反射式滤波器则为-66.12dBm。两者相较,反射信号减小了超过30dB。其他频点上的反射信号也被无反射式滤波器抑制和滤除。
 
图4 混频器直接输出
 
图5 混频器加传统滤波器后的输出
 
图6 混频器加无反射式滤波器后的输出
 
测试2:单输入信号的输入频谱测试
 
依照图7所示测试电路,将测试3种不同状态下从混频器反射到源端的信号频谱:
状态1:输入信号直接输入混频器;
状态2:输入信号经过传统滤波器后输入混频器;
状态3:输入信号经过无反射式滤波器后输入混频器。
 
图7 单输入信号的输入频谱测试电路框图
     
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在本项测试中,使用无反射式滤波器并没有明显地体现出系统性能的差异,但我们认为这项测试仍然有重要的意义。在进行标称测量的过程中,虽然混频器输入端的反射信号没有出现显著下降或上升,但是加无反射式滤波器与输入端不加滤波器的混频器输入端口反射特性却显示出了惊人的一致性。这意味着无反射式滤波器的输出端产生的影响几乎不会增加或减小混频器输入端口本身的反射信号。这个结果表明使用无反射式滤波器让混频器输入端口的信号状况变得更加容易预测。
 
我们可以在表1中清晰地看到混频器输入端不加滤波器和加两种滤波器的差值。可以看到,无反射式滤波器用在混频器输入端时,差值变化较小。
 
 
备注:
MR=输入信号直接输入混频器;
CR=输入信号经过传统滤波器后输入混频器;
RR=输入信号经过无反射式滤波器后输入混频器。
 
 
图8 输入信号直接输入混频器的反射效果
 
图9 输入信号经过传统滤波器后输入混频器的反射效果
 
 
图10 输入信号经过无反射式滤波器后输入混频器的反射效果
 
测试3:变频损耗及IP3测试(输入信号及本振信号扫频状态)
 
测试框图如图11所示。其中,RF1信号用于变频损耗测试,RF2信号用于干扰RF1和IP3测试。将测试以下3种不同状态:
状态1:混频器输出端不加滤波器;
状态2:混频器输出端加传统滤波器;
状态3:混频器输出端加无反射式滤波器。
 
图11 变频损耗测试及IP3测试框图
 
变频损耗和输入IP3的曲线如图12~图13所示,其中黑线表示混频器直接输出,红线表示混频器配对传统滤波器后输出,蓝线表示混频器配对无反射式滤波器后输出。变频损耗曲线显示,当混频器与传统滤波器配对时,由于传统滤波器反射回来的信号引起的性能变化,在某些频点上变频损耗大于混频器直接输出,而某些频点的变频损耗小于混频器直接输出。当使用无反射式滤波器时,可以看到除了无反射式滤波器本身损耗,其变频损耗曲线与混频器直接输出基本一致。
 
同样的,在IP3的测试曲线也显示了混频器输出端配对传统滤波器后导致的不稳定曲线。而使用无反射式滤波器配对混频器的输出端则使得IP3性能与混频器本身的IP3性能保持一致。
 
这两种试验结果再次表明,选用吸收式滤波器来配对混频器可以让系统性能获得更加优异的一致性和可预测性。
 
图12 变频损耗测试曲线对比图
 
图13 IP3测试曲线对比图
 
结论
   
比较混频器配对传统滤波器和无反射式滤波器的系统性能,可以发现无反射式滤波器几乎消除了混频器输出端的反射信号。此外,与无反射式滤波器配对可以使得混频器的输入端反射信号变得更容易预测,且变频损耗和IP3指标与混频器本身直接输出的指标相近,不会造成额外的影响。以上的试验结果表明,如果想要混频器电路获得更好的系统性能,应该使用无反射式滤波器来替换现有传统滤波器。
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