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天華中威科技微波小課堂_深入解讀RF信號(hào)鏈

07-09

從歷史的角度來(lái)看,就在不久之前,也就是20世紀(jì)初,支持RF信號(hào)鏈的RF工程學(xué)還是一門新興的學(xué)科。如今,RF技術(shù)和射頻器件深深根植于我們的生活,沒有它們,現(xiàn)代文明可能不會(huì)存在。生活中有無(wú)數(shù)非常依賴RF信號(hào)鏈的示例,這將是我們討論的焦點(diǎn)。

在我們深入探討之前,我們先來(lái)了解RF的實(shí)際含義。乍一看,這似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的問題。我們都知道,RF表示射頻,此術(shù)語(yǔ)的通用定義規(guī)定了特定的頻率范圍:MHz至GHz電磁頻譜。但是,如果我們仔細(xì)查看其定義并進(jìn)行比較,就會(huì)發(fā)現(xiàn),它們只是對(duì)RF頻譜的實(shí)際邊界的定義不同。鑒于我們可能經(jīng)常在與特定頻率無(wú)關(guān)的其他環(huán)境中廣泛使用該術(shù)語(yǔ),所以,此術(shù)語(yǔ)變得更加令人費(fèi)解。那么,RF是什么?

通過(guò)關(guān)注RF的突出特性,包括相移、電抗、耗散、噪聲、輻射、反射和非線性,可以確立一致的定義基礎(chǔ),涵蓋多種含義。1這個(gè)基礎(chǔ)代表了現(xiàn)代包羅萬(wàn)象的定義,不依賴于單個(gè)方面或特定數(shù)值來(lái)區(qū)分RF和其他術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)RF適用于許多具有構(gòu)成此定義 特性的任何電路或組件。

我們已設(shè)定了本次探討的背景,現(xiàn)在可以開始進(jìn)入正題,分析圖1中的通用RF信號(hào)鏈。其中使用分布式元件電路模型來(lái)體現(xiàn)電路中的相位偏移,在較短的RF波長(zhǎng)下這種偏移不可忽略,因此該集總電路的近似表示不適用于這些類型的系統(tǒng)。RF信號(hào)鏈中可能包括各種各樣的分立式組件,如衰減器、開關(guān)、放大器、檢測(cè)器、合成器和其他RF模擬器件,以及高速ADC和DAC。將所有這些組件組合起來(lái)用于特定應(yīng)用,其總體標(biāo)稱性能將取決于這些分立式組件的組合性能。

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圖1. 一個(gè)通用RF信號(hào)鏈

因此,為了設(shè)計(jì)一個(gè)能夠滿足目標(biāo)應(yīng)用的特定系統(tǒng),RF系統(tǒng)工程師必須能夠真正從系統(tǒng)級(jí)視角考慮,且對(duì)基礎(chǔ)的關(guān)鍵概念和原則有一致的理解。這些知識(shí)儲(chǔ)備非常重要,為此,我們編寫了這篇討論文章,它包含兩個(gè)部分。第一部分的目標(biāo)是:簡(jiǎn)要介紹用于確定RF器件的特性和量化其性能的主要特性和指標(biāo)。第二部分的目標(biāo)是:深入介紹可用于針對(duì)所需應(yīng)用開發(fā)RF信號(hào)鏈的各種單個(gè)組件及其類型。

RF信號(hào)鏈—第1部分:特性和性能指標(biāo)

RF術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

目前有多種參數(shù)用于描述整個(gè)RF系統(tǒng)及其分立式模塊的特性。根據(jù)應(yīng)用或用例,其中一些特性可能極其重要,其他特性則不太重要或無(wú)關(guān)緊要。僅通過(guò)本文,肯定無(wú)法對(duì)如此復(fù)雜的主題展開全面分析。但是,我們將嘗試按照共同的思路,也就是將一系列復(fù)雜的相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶?、易于理解的RF系統(tǒng)屬性和特性指南,從而簡(jiǎn)明全面地概述最常見的RF性能。

基本特性

散射矩陣(或S矩陣)是在描述RF系統(tǒng)行為時(shí)需要用到的一個(gè)基本術(shù)語(yǔ)。我們可以使用S矩陣,將復(fù)雜的RF網(wǎng)絡(luò)表示為簡(jiǎn)單的N端口黑盒。常見的2端口RF網(wǎng)絡(luò)(例如放大器、濾波器或衰減器)示例如圖2所示,其中Vn+是n端口入射波電壓的復(fù)振幅,Vn 是n端口反射波電壓的復(fù)振幅。2當(dāng)其所有端口都以匹配負(fù)載端接時(shí),我們可以通過(guò)散射矩陣來(lái)描述該網(wǎng)絡(luò),其中的元素(或S參數(shù))根據(jù)這些電壓波之間的關(guān)系來(lái)量化RF能量如何通過(guò)系統(tǒng)傳播?,F(xiàn)在,我們使用S參數(shù)來(lái)表示典型RF網(wǎng)絡(luò)的主要特性。

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圖2. 用S矩陣表示的2端口網(wǎng)絡(luò)

在網(wǎng)絡(luò)匹配的情況下,S21相當(dāng)于端口1到端口2的傳輸系數(shù)(S12也可以按類似方法定義)。以對(duì)數(shù)標(biāo)度表示的幅度|S21|代表輸出功率與輸入功率的比值,稱為增益或標(biāo)量對(duì)數(shù)增益。此參數(shù)是放大器和其他RF系統(tǒng)的重要指標(biāo),它也可以取負(fù)值。負(fù)增益表示固有損耗或失配損耗,通常用其倒數(shù)表示,即插入損耗(IL),這是衰減器和濾波器的典型指標(biāo)。

如果我們現(xiàn)在考慮同一端口的入射波和反射波,則可以如圖2所示來(lái)定義S11和S22。當(dāng)其他端口以匹配負(fù)載端接時(shí),這些項(xiàng)相當(dāng)于相應(yīng)端口的反射系數(shù)|Γ|。根據(jù)公式1,我們可以將反射系數(shù)的大小與回波損耗(RL)相關(guān)聯(lián):

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回波損耗是指端口的入射功率與源極的反射功率之比。根據(jù)我們估算這個(gè)比值使用的端口,我們可以區(qū)分輸入和輸出回波損耗?;夭〒p耗始終是非負(fù)值,表示網(wǎng)絡(luò)的輸入或輸出阻抗與朝向源極的端口阻抗的匹配程度。

需要注意的是,IL和RL與S參數(shù)的這種簡(jiǎn)單關(guān)系只有在所有端口都匹配的情況下才有效,這是定義網(wǎng)絡(luò)本身的S矩陣的前提條件。如果網(wǎng)絡(luò)不匹配,它不會(huì)改變其固有的S參數(shù),但可能會(huì)改變其端口的反射系數(shù)以及端口之間的傳輸系數(shù)。2

頻率范圍和帶寬

我們描述的所有這些基本量將在頻率范圍內(nèi)不斷變化,這是所有RF系統(tǒng)的共同基本特性。它定義了這些系統(tǒng)所支持的頻率范圍,并給我們提供了一個(gè)更關(guān)鍵的性能度量--帶寬(BW)。

雖然此術(shù)語(yǔ)可能僅指信號(hào)特性,但其某些形式可用于描述處理這些信號(hào)的RF系統(tǒng)。帶寬一般會(huì)定義受某一標(biāo)準(zhǔn)限制的頻率范圍。但是,它可能具有不同的含義,因具體的應(yīng)用環(huán)境而異。為了使我們的論述更加全面,我們來(lái)簡(jiǎn)單定義一下不同的含義:

● 3dB帶寬是信號(hào)功率電平超過(guò)其最大值一半的頻率范圍。

● 瞬時(shí)帶寬(IBW)或?qū)崟r(shí)帶寬是指系統(tǒng)在不需要重新調(diào)諧的情況下能夠產(chǎn)生或獲取的最大連續(xù)帶寬。
● 占用帶寬(OBW)是包含總集成信號(hào)功率特定百分比的頻率范圍。
● 分辨率帶寬(RBW)一般是指兩個(gè)頻率分量(可繼續(xù)分解)之間的最小間隔。例如,在頻譜分析儀系統(tǒng)中,它是最終濾波器級(jí)的頻率范圍。

這只是各種帶寬定義中的幾個(gè)示例;但是,無(wú)論其含義如何,RF信號(hào)鏈的帶寬很大程度上取決于其模擬前端,以及高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣速率和帶寬。

非線性

需要指出的是,RF系統(tǒng)的特性不僅會(huì)隨著頻率變化,也會(huì)隨著信號(hào)功率電平而變化。我們?cè)诒疚拈_頭描述的基本特性通常用小信號(hào)S參數(shù)表示,沒有考慮非線性效應(yīng)。但是,在一般情況下,通過(guò)RF網(wǎng)絡(luò)的功率電平持續(xù)升高通常會(huì)帶來(lái)更明顯的非線性效應(yīng),最終導(dǎo)致其性能下降。

我們?cè)谡務(wù)摼哂辛己镁€性度的RF系統(tǒng)或組件時(shí),通常是指用于描述其非線性性能的關(guān)鍵指標(biāo)滿足目標(biāo)應(yīng)用要求。我們來(lái)看看這些常用來(lái)量化RF系統(tǒng)非線性行為的關(guān)鍵指標(biāo)。

我們首先需要考慮的參數(shù)是輸出1 dB壓縮點(diǎn)(OP1dB),它定義了通用器件從線性模式轉(zhuǎn)換為非線性模式的拐點(diǎn),即系統(tǒng)增益降低1 dB時(shí)的輸出功率水平。這是功率放大器的基本特性,用于將該器件的工作電平設(shè)置為趨向飽和輸出功率(PSAT)定義的飽和電平。功率放大器通常位于信號(hào)鏈的最后一級(jí),因此這些參數(shù)通常定義RF系統(tǒng)的輸出功率范圍。

一旦系統(tǒng)處于非線性模式,就會(huì)使信號(hào)失真、產(chǎn)生雜散頻率分量,或者雜散。雜散是相對(duì)于載波信號(hào)(單位:dBc)的電平進(jìn)行測(cè)量,可以分為諧波和交調(diào)產(chǎn)物(參見圖3)。諧波是處于基波頻率的整數(shù)倍位置的信號(hào)(例如,H1、H2、H3諧波),而交調(diào)產(chǎn)物是非線性系統(tǒng)中存在兩個(gè)或更多基波信號(hào)時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)。如果第一個(gè)基波信號(hào)位于頻率f1,第二個(gè)位于f2,則二階交調(diào)產(chǎn)物出現(xiàn)在兩個(gè)信號(hào)的和頻和差頻位置,即f1 + f2和f2 – f1,以及f1 + f1和f2 + f2(后者也稱為H2諧波)。二階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號(hào)相結(jié)合,會(huì)產(chǎn)生三階交調(diào)產(chǎn)物,其中兩個(gè)(2f1 – f2和2f2 – f1)特別重要,由于它們接近原始信號(hào),因此難以濾除。包含雜散頻率分量的非線性RF系統(tǒng)的輸出頻譜表示了交調(diào)失真(IMD),這是描述系統(tǒng)非線性度的一個(gè)重要術(shù)語(yǔ)。2

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圖3. 諧波和交調(diào)產(chǎn)物

與二階交調(diào)失真(IMD2)和三階交調(diào)失真(IMD3)相關(guān)的雜散分量會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)造成干擾。用于量化干擾嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)為交調(diào)點(diǎn)(IP)。我們可以區(qū)分二階(IP2)和三階(IP3)交調(diào)點(diǎn)。如圖4所示,它們定義輸入(IIP2、IIP3)和輸出(OIP2、OIP3)信號(hào)功率電平的假設(shè)點(diǎn),在這些點(diǎn)上,相應(yīng)的雜散分量的功率將達(dá)到與基波分量相同的電平。雖然交調(diào)點(diǎn)是一個(gè)純數(shù)學(xué)概念,但它是衡量RF系統(tǒng)對(duì)非線性度耐受性的重要指標(biāo)。

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圖4. 非線性特性的定義

噪聲

現(xiàn)在我們來(lái)看看每個(gè)RF系統(tǒng)固有的另一個(gè)重要特性--噪聲。噪聲是指電信號(hào)的波動(dòng),包含許多不同方面。根據(jù)其頻譜及其影響信號(hào)的方式以及產(chǎn)生噪聲的機(jī)制,噪聲可以分為許多不同的類型和形式。但是,盡管存在許多不同的噪聲源,我們也無(wú)需為了描述它們對(duì)系統(tǒng)性能的最終影響而深入研究其物理特性。我們可以基于簡(jiǎn)化的系統(tǒng)噪聲模型進(jìn)行研究,該模型使用單個(gè)理論噪聲發(fā)生器,通過(guò)噪聲系數(shù)(NF)這個(gè)重要指標(biāo)來(lái)描述。它可以量化系統(tǒng)所引起的信噪比(SNR)的下降幅度,定義為輸出信噪比與輸入信噪比的對(duì)數(shù)比。以線性標(biāo)度表示的噪聲系數(shù)稱為噪聲因子。這是RF系統(tǒng)的主要特性,可以控制其整體性能。

對(duì)于簡(jiǎn)單的線性無(wú)源器件,噪聲系數(shù)等于由|S21|定義的插入損耗。在多個(gè)有源和無(wú)源組件構(gòu)成的更復(fù)雜的RF系統(tǒng)中,噪聲由各自的噪聲因子Fi和功率增益Gi來(lái)描述,根據(jù)Friis公式(假設(shè)每級(jí)的阻抗都匹配),噪聲的影響在信號(hào)鏈中逐級(jí)降低:
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由此可以得出結(jié)論,RF信號(hào)鏈的前兩級(jí)是系統(tǒng)總體噪聲系數(shù)的主要來(lái)源。這正是在接收器信號(hào)鏈的前端配置噪聲系數(shù)最低的組件(例如低噪聲放大器)的原因。
如果我們現(xiàn)在考慮生成信號(hào)的專用器件或系統(tǒng),說(shuō)到其噪聲性能特征,一般是指受噪聲源影響的信號(hào)特性。這些特性就是相位抖動(dòng)和相位噪聲,用于表示時(shí)域(抖動(dòng))和頻域(相位噪聲)中的信號(hào)穩(wěn)定性。具體選擇哪個(gè),一般取決于應(yīng)用,例如,在RF通信應(yīng)用中,一般使用相位噪聲,而在數(shù)字系統(tǒng)中,則通常使用抖動(dòng)。相位抖動(dòng)是指信號(hào)相位內(nèi)的小波動(dòng),相位噪聲則是其頻譜表示,定義為相對(duì)于載波頻率不同頻偏處,1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率,認(rèn)為在此帶寬內(nèi)功率均衡(參見圖5)。

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圖5. 相位噪聲特性示例

多種衍生品

到目前為止,我們考慮了多種重要系數(shù),并基于這些系數(shù)衍生出很多參數(shù),可用于量化各種應(yīng)用領(lǐng)域中RF信號(hào)鏈的性能。例如,在噪聲和雜散的基礎(chǔ)上衍生出動(dòng)態(tài)范圍(DR)這個(gè)術(shù)語(yǔ),用于描述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需特性的工作范圍。如圖4所示,如果該范圍的下限由噪聲決定,上限由壓縮點(diǎn)決定,我們稱之為線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR);如果其上限由最大功率電平(該電平使交調(diào)失真變得不可接受)決定,我們稱之為無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。需要注意的是,LDR和SFDR的實(shí)際定義可能因具體的應(yīng)用而異。2

系統(tǒng)能夠處理生成具有指定SNR輸出信號(hào)的最低信號(hào)電平定義了接收器系統(tǒng)的另一個(gè)重要特性,即靈敏度。它主要由系統(tǒng)噪聲系數(shù)和信號(hào)帶寬決定。接收器本身的噪聲會(huì)對(duì)靈敏度和其他系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格造成限制。例如,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的相位噪聲或抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致眼圖中的星座點(diǎn)偏離其理想位置,使得系統(tǒng)的誤差向量幅度(EVM)降低,誤碼率(BER)隨之增高。

第1部分結(jié)論

我們可以使用多種特性和性能指標(biāo)來(lái)表征RF信號(hào)鏈。它們涉及不同的系統(tǒng)方面,其重要性和相關(guān)性可能因應(yīng)用而有所不同。雖然我們無(wú)法在一篇文章中全面闡述所有這些因素,但如果RF工程師能深入理解本文所探討的這些基本特性,就可以將它們輕松轉(zhuǎn)化為雷達(dá)、通信、測(cè)量或其他RF系統(tǒng)等目標(biāo)應(yīng)用中的關(guān)鍵要求和技術(shù)規(guī)格。

參考文獻(xiàn)

1M. S. Gupta?!癛F是什么?”IEEE微波雜志,第2卷第4期,2001年12月。

2David M. Pozar。微波工程,第4版,Wiley,2011年。

RF信號(hào)鏈—第2部分:基本構(gòu)建模塊

分立式和集成式組件是構(gòu)成各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的RF信號(hào)鏈的基礎(chǔ)功能性構(gòu)建模塊。在文章的第一部分,我們討論了用于表征系統(tǒng)的主要特性和性能指標(biāo)。然而,為了達(dá)到期望的性能,RF系統(tǒng)工程師還必須對(duì)各類RF器件有充分的了解,RF器件的選擇將決定最終應(yīng)用中完整RF信號(hào)鏈的整體性能。

第2部分將概述典型RF信號(hào)鏈中使用的不同器件的主要類型,我們的討論將限于最常見的RF集成電路(IC),并依賴于與系統(tǒng)級(jí)信號(hào)鏈定義相關(guān)的分類標(biāo)準(zhǔn)。該評(píng)估包括RF放大器、頻率產(chǎn)生IC、倍頻器和分頻器、混頻器、濾波器和開關(guān),以及衰減器和檢波器。

RF放大器

放大器的主要功能是提高輸入信號(hào)的功率水平以在輸出端產(chǎn)生更大的信號(hào)。任何RF放大器的主要特性就是其增益,它描述了輸出功率與輸入功率之比。然而,最優(yōu)放大器設(shè)計(jì)總是其增益、噪聲、帶寬、效率、線性度和其他性能參數(shù)的權(quán)衡結(jié)果。將這些特性作為主要分類標(biāo)準(zhǔn),我們可以區(qū)分各種類型的放大器,從而為具體應(yīng)用場(chǎng)景提供優(yōu)化的性能。

低噪聲放大器(LNA)經(jīng)過(guò)優(yōu)化,旨在提高低功率信號(hào)的電平而不引入顯著的噪聲,良好LNA在亞GHz范圍內(nèi)的噪聲系數(shù)(NF)可以小于1 dB,在較高頻率下為幾個(gè)dB。信號(hào)鏈的整體噪聲系數(shù)由前幾級(jí)主導(dǎo)因此LNA常常用在接收器的前端以使其靈敏度最大化。相反,功率放大器(PA)通常用于發(fā)射信號(hào)鏈的輸出級(jí)。其針對(duì)功率處理進(jìn)行了優(yōu)化,以高效率提供高輸出功率,同時(shí)保持低發(fā)熱量。

高IP3或高線性度放大器具有與PA相似的特性,提供高動(dòng)態(tài)范圍性能。然而,這種類型的放大器針對(duì)線性度進(jìn)行了優(yōu)化,在使用高峰均功率比的信號(hào)的應(yīng)用中優(yōu)于PA。例如,在依賴矢量調(diào)制信號(hào)的通信系統(tǒng)中,高線性度放大器可以使失真最小化,這對(duì)于實(shí)現(xiàn)低誤碼率至關(guān)重要。

可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)也是針對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用,但能支持寬范圍的信號(hào)電平。VGA通過(guò)增益調(diào)節(jié)來(lái)控制發(fā)射信號(hào)幅度或調(diào)整接收信號(hào)幅度,從而適應(yīng)信號(hào)變化。如果數(shù)據(jù)總線可提供控制參數(shù),并且逐步增益調(diào)整對(duì)于應(yīng)用不那么重要,那么應(yīng)選擇數(shù)字控制VGA。當(dāng)沒有數(shù)字控制數(shù)據(jù)可用或應(yīng)用不能容忍階躍干擾時(shí),模擬控制VGA是首選解決方案。VGA常常用于自動(dòng)增益控制(AGC),或用于補(bǔ)償其他元器件的溫度或特性變化所導(dǎo)致的增益漂移。

如果LNA、PA、VGA和其他類型的RF放大器設(shè)計(jì)為在寬頻率范圍(高達(dá)數(shù)個(gè)倍頻程)內(nèi)工作,那么這些放大器也可以歸類為寬帶放大器。此類放大器提供寬帶放大和中等增益,常常用于寬帶應(yīng)用中主信號(hào)路徑的前端級(jí)。寬帶放大器常常依賴于分布式放大器電路設(shè)計(jì),并提供大增益帶寬積,但通常要付出效率和噪聲方面的代價(jià)。

有些RF放大器也屬于一般類別的驅(qū)動(dòng)放大器(或者就是驅(qū)動(dòng)器)。驅(qū)動(dòng)器是用于控制信號(hào)鏈中的另一器件(如第二放大器、混頻器、轉(zhuǎn)換器或其他元件)的放大器。驅(qū)動(dòng)放大器的主要功能是調(diào)節(jié)某些工作參數(shù),以確保相連器件擁有最佳工作條件。驅(qū)動(dòng)放大器不一定要設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)特定器件,但如果其用途是完成某種驅(qū)動(dòng)功能,則任何RF放大器都可以被視為驅(qū)動(dòng)器。類似地,我們還有一般類別的緩沖放大器(或者就是緩沖器),其用于防止信號(hào)源受負(fù)載影響。例如,緩沖放大器常用于將本振與負(fù)載隔離,以使負(fù)載阻抗變化對(duì)振蕩器性能的不利影響最小化。

考慮經(jīng)典的超外差架構(gòu),在寬泛的RF放大器中,我們還可以區(qū)分出本振(LO)放大器和中頻(IF)放大器。這些放大器的主要區(qū)別是其在信號(hào)鏈中的功能目的。LO放大器用于LO路徑,以確?;祛l器(通常被稱為L(zhǎng)O驅(qū)動(dòng)器或LO緩沖器)具有所需的LO驅(qū)動(dòng)電平,而IF放大器則設(shè)計(jì)為較低頻率工作,因而是信號(hào)鏈中頻級(jí)的首選解決方案。

增益模塊是另一種一般類型的放大器,可用于RF、IF或LO信號(hào)路徑,能夠提供良好的增益平坦度和回波損耗。其設(shè)計(jì)常常包含內(nèi)部匹配和偏置電路,因而只需極少的外部元件便可集成到信號(hào)鏈中,集成工作得以簡(jiǎn)化。增益模塊放大器可以滿足一般用途和特殊用途需要,覆蓋各種頻率、帶寬、增益和輸出功率水平。

RF放大器的多樣性當(dāng)然不限于本文中討論的那些?;诜糯笃魈匦?,我們還有許多其他類型的RF放大器,其提供不同的性能特征組合,這里僅舉幾個(gè)例子:限幅放大器在寬輸入功率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的壓縮輸出功率,低相位噪聲放大器針對(duì)高信號(hào)完整性應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,對(duì)數(shù)放大器本質(zhì)上就是實(shí)現(xiàn)RF檢波功能的RF-DC轉(zhuǎn)換器(參見“RF檢波器”部分)。表1總結(jié)了我們所討論的主要放大器類型。

表1. RF放大器的一些主要類型總結(jié)
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RF放大器還可以基于其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類,例如特性、工作模式(放大器類別)、裝配或工藝技術(shù),其完整分類超出了本文的范圍。但是,本節(jié)從RF信號(hào)鏈架構(gòu)定義出發(fā),討論了行業(yè)中采用的一些最常見類型的RF放大器。

頻率產(chǎn)生IC

頻率產(chǎn)生器件可以服務(wù)于RF信號(hào)鏈中的各種不同功能,包括頻率轉(zhuǎn)換、波形合成、信號(hào)調(diào)制和時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生。根據(jù)IC的目標(biāo)使用場(chǎng)景,有一些性能指標(biāo)決定了其選擇,包括輸出頻率范圍、頻譜純度、穩(wěn)定性和調(diào)諧速度。針對(duì)不同使用場(chǎng)景,有廣泛的頻率產(chǎn)生器件可供選擇,其中包括電壓控制振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、集成頻率合成器、轉(zhuǎn)換環(huán)路和直接數(shù)字頻率合成(DDS)IC。

電壓控制振蕩器(VCO)產(chǎn)生輸出信號(hào),其頻率由外部輸入電壓控制。VCO的內(nèi)核可以是基于不同類型的諧振器。使用高質(zhì)量諧振器的單核VCO可在有限頻率范圍內(nèi)提供低相位噪聲性能,而較低質(zhì)量的振蕩器以寬帶操作為目標(biāo),噪聲特性很一般。使用多個(gè)切換式高質(zhì)量諧振器電路的多頻段VCO是一種替代解決方案,既支持寬帶操作,又能提供低相位噪聲性能,但其代價(jià)是調(diào)諧速度較慢,因?yàn)榍袚Q不同的核需要時(shí)間。VCO通常與鎖相環(huán)配合使用。

鎖相環(huán)(PLL)或PLL頻率合成器可確保許多頻率合成和時(shí)鐘恢復(fù)應(yīng)用所需的VCO輸出頻率穩(wěn)定。如圖2a所示,PLL包含鑒相器,其將VCO頻率的N分頻與參考頻率進(jìn)行比較,并使用該差值輸出信號(hào)調(diào)節(jié)施加于VCO調(diào)諧線路的DC控制電壓。這使得任何頻率漂移都能得到即時(shí)校正,因而振蕩器能夠保持穩(wěn)定操作。典型的PLLIC包含誤差檢測(cè)器--帶電荷泵的鑒頻鑒相器(PFD)--和反饋分頻器(參見圖2a中的虛線區(qū)域),另外還需要外部環(huán)路濾波器、參考頻率和VCO以構(gòu)成一個(gè)完整的反饋系統(tǒng),從而產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率。使用集成VCO的頻率合成器IC可以大大簡(jiǎn)化該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)1

集成VCO的頻率合成器將PLL和VCO組合在單個(gè)封裝中,只需要外部參考和環(huán)路濾波器就能實(shí)現(xiàn)所需的功能。集成式PLL頻率合成器是一種多功能解決方案,具有廣泛的數(shù)字控制設(shè)置,支持產(chǎn)生精確頻率。它常常包含集成功率分路器、倍頻器、分頻器和跟蹤濾波器,頻率覆蓋范圍超越了VCO的基頻范圍,達(dá)到數(shù)個(gè)倍頻程。所有這些元件的內(nèi)在參數(shù)決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動(dòng)、鎖定時(shí)間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性。

轉(zhuǎn)換環(huán)路是基于PLL概念的另一類頻率合成器,但采用不同的方法實(shí)現(xiàn)。如圖2b所示,其反饋環(huán)路中使用的是集成下變頻混頻級(jí),而不是N分頻器,環(huán)路增益設(shè)置為1,帶內(nèi)相位噪聲極小。轉(zhuǎn)換環(huán)路IC(參見圖2b中的虛線區(qū)域)專為對(duì)抖動(dòng)高度敏感的應(yīng)用而設(shè)計(jì),并與外部PFD和LO組合使用,以緊湊的尺寸實(shí)現(xiàn)完整的頻率合成解決方案,提供儀表級(jí)性能。

直接數(shù)字頻率合成(DDS) IC是集成PLL頻率合成器的替代方案,采用不同的原理實(shí)現(xiàn)?;綝DS架構(gòu)的原理圖如圖2c所示。它是一種數(shù)字控制系統(tǒng),包括表示時(shí)鐘信號(hào)的高精度參考頻率、創(chuàng)建目標(biāo)波形數(shù)字版本的數(shù)字控制振蕩器(NCO)以及提供最終模擬輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。DDS IC提供快速跳頻、精細(xì)的頻率和相位分辨率以及低輸出失真,因此特別適合于出色噪聲性能和高頻率捷變性至關(guān)重要的應(yīng)用2。

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圖2.(a) 鎖相環(huán)、(b) 轉(zhuǎn)換環(huán)路、(c) 直接數(shù)字頻率合成器的簡(jiǎn)化框圖

頻率產(chǎn)生器件廣泛用于對(duì)性能有不同要求的應(yīng)用。例如,通信系統(tǒng)需要低帶內(nèi)噪聲以維持低誤差矢量幅度(EVM),頻譜分析儀依賴于具有快速鎖定時(shí)間的本振來(lái)實(shí)現(xiàn)快速頻率掃描,高速轉(zhuǎn)換器需要低抖動(dòng)時(shí)鐘以確保高SNR性能。

倍頻器

當(dāng)基頻振蕩器不能覆蓋所需頻率范圍時(shí),使用倍頻器可以產(chǎn)生更高的頻率。這些器件利用其元件的非線性特性來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào),其頻率是輸入信號(hào)的諧波。根據(jù)目標(biāo)輸出諧波的階數(shù),我們可以區(qū)分出二倍頻器、三倍頻器和四倍頻器,以及更高階的倍頻器。

用于實(shí)現(xiàn)頻率倍增的非線性元件有不同類型,因而我們可以區(qū)分出依賴于二極管電路的無(wú)源倍頻器和使用晶體管的有源倍頻器。有源倍頻器需要外部直流偏置,但相對(duì)于無(wú)源器件,它有若干明顯優(yōu)勢(shì),包括轉(zhuǎn)換增益、較低的輸入驅(qū)動(dòng)電平和更好的基波與雜散頻率抑制。

倍頻器IC常常與VCO一起廣泛用于PLL頻率合成器設(shè)計(jì)中或作為本振信號(hào)路徑的一部分,提供簡(jiǎn)單且廉價(jià)的頻率倍增解決方案。然而,所有類型的倍頻器都存在一個(gè)相同的缺點(diǎn):相位噪聲性能會(huì)隨著倍頻系數(shù)N而惡化至少20l0g(N) dB。例如,二倍頻器會(huì)使相位噪聲水平增加至少6 dB,這在高速轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘和其他對(duì)相位噪聲與抖動(dòng)敏感的應(yīng)用中可能很嚴(yán)重3

分頻器和預(yù)分頻器

分頻器將較高輸入頻率變?yōu)檩^低輸出頻率。如今,大部分此類器件是使用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器或移位寄存器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路。它們廣泛包含于時(shí)鐘分配電路和PLL頻率合成器設(shè)計(jì)中,應(yīng)用眾多。分頻器可以有固定的分頻比(這種分頻器也稱為預(yù)分頻器)或可編程的分頻比。將頻率N分頻可以使輸出信號(hào)的相位噪聲改善20log(N)dB。然而,這種改善受分頻器本身的加性相位噪聲(源于其有源電路且會(huì)增加到其輸出端)限制。良好的分頻器具有低加性相位噪聲和低諧波成分,這些都是其關(guān)鍵特性。

RF混頻器

基本形式的RF混頻器是一個(gè)3端口器件,使用非線性或時(shí)變?cè)a(chǎn)生一個(gè)包含兩個(gè)輸入信號(hào)的和頻率與差頻率的輸出信號(hào)。RF混頻器可以一般地區(qū)分為無(wú)源混頻器和有源混頻器。無(wú)源混頻器使用二極管元件,或?qū)ET晶體管用作開關(guān),而有源混頻器依賴于晶體管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻。無(wú)源混頻器可以提供寬帶寬和高線性度性能,不需要外部直流偏置,而且噪聲系數(shù)一般優(yōu)于有源混頻器。但是,無(wú)源混頻器存在轉(zhuǎn)換損耗,并且需要高LO輸入功率,而有源混頻器能提供增益,所需的LO驅(qū)動(dòng)電平要低得多。實(shí)現(xiàn)下變頻器或上變頻器的替代設(shè)計(jì)可以將無(wú)源混頻器核和有源電路結(jié)合以提供轉(zhuǎn)換增益,而不會(huì)損害NF和線性度4。

混頻器IC有很多不同設(shè)計(jì),最基本的是單端(或不平衡)?;诙O管的單端混頻器的概念拓?fù)淙鐖D3a所示。單端混頻器僅使用一個(gè)非線性元件來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換,這種解決方案很簡(jiǎn)單,但性能有限,因?yàn)槎丝诤透唠s散之間的隔離很差。平衡式混頻器設(shè)計(jì)利用其電路的對(duì)稱性來(lái)克服上述限制。根據(jù)對(duì)稱程度,平衡式混頻器可以分為單平衡、雙平衡和三平衡混頻器。單平衡混頻器(參見圖3b)由兩個(gè)以90°或180°混合方式結(jié)合的不平衡混頻器組成。此類混頻器提供高LO-RF隔離,可抑制RF或LO信號(hào)以及輸出端的偶數(shù)次LO諧波。使用各類雙平衡混頻器可以進(jìn)一步改善性能。圖3c顯示了一個(gè)常見例子,其四環(huán)配置使用了四個(gè)肖特基二極管,RF和LO端口均放置有混合元件。雙平衡混頻器提供高整體性能和良好的端口間隔離,能夠抑制RF和LO頻率以及所有偶數(shù)次RF和LO諧波,因而是廣泛使用的一類RF混頻器IC5。三平衡混頻器可以實(shí)現(xiàn)更高的隔離度和線性度。此類混頻器將兩個(gè)雙平衡設(shè)計(jì)組合起來(lái),形成更高程度的對(duì)稱性以優(yōu)化變頻過(guò)程,但代價(jià)是電路復(fù)雜度顯著提高。

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圖3.(a) 單端、(b) 單平衡、(c) 雙平衡和 (d) 鏡像抑制混頻器的概念拓?fù)?/em>

同相正交(I/Q)混頻器是單獨(dú)的一類平衡設(shè)計(jì)。I/Q混頻器利用相位抵消來(lái)消除干擾鏡像信號(hào),而無(wú)需外部濾波。普通I/Q混頻器在下變頻模式(參見圖3d)下通??梢杂米麋R像抑制混頻器(IRM),在上變頻模式下可以用作單邊帶(SSB)混頻器。集成緩沖器和驅(qū)動(dòng)放大器的I/Q混頻器僅針對(duì)兩種工作模式中的一種而設(shè)計(jì),因而可以將其區(qū)分為I/Q下變頻器和I/Q上變頻器。這些混頻器與另一類頻率轉(zhuǎn)換IC密切相關(guān),稱為I/Q調(diào)制器和I/Q解調(diào)器。I/Q調(diào)制器和I/Q解調(diào)器提供一個(gè)配合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用的高阻抗差分基帶接口,因而非常適合于直接變頻收發(fā)器應(yīng)用。具體而言,它們構(gòu)成了現(xiàn)代高集成度RF收發(fā)器IC的核心6

我們還要簡(jiǎn)要提及的一類常見混頻器是次諧波混頻器。"它采用次諧波泵本振,為使用較低LO頻率而無(wú)外部倍頻器的高頻RF設(shè)計(jì)提供一種簡(jiǎn)單的解決方案。

還有許多其他類型的RF混頻器實(shí)現(xiàn)依賴于有源和無(wú)源技術(shù)。RF混頻器IC可以使用復(fù)雜的架構(gòu),其在一個(gè)封裝中集成各種元件,包括PLLNCO、放大器、倍頻器、衰減器和檢波器,并提供數(shù)字接口以控制其功能。

RF濾波器

RF濾波器IC幾乎在每種RF應(yīng)用中都有使用,它能在頻譜(通常還包括非線性信號(hào)鏈內(nèi)產(chǎn)生的干擾雜散成分和源自外部的帶外信號(hào))中選擇所需的頻率。因此,這種濾波器的關(guān)鍵功能是為目標(biāo)通帶頻率提供最小衰減,并為阻帶頻率提供最大衰減以抑制不需要的信號(hào)。圖4顯示了常見類型的濾波器頻率響應(yīng)包括低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)和阻帶濾波器(如果阻帶較窄,也稱為陷波濾波器)。

大多數(shù)RF應(yīng)用需要跨多個(gè)頻段濾波,這可以利用開關(guān)式濾波器庫(kù)實(shí)現(xiàn)。此類解決方案在一個(gè)模塊中包含開關(guān)和固定帶寬濾波器,可以在阻帶抑制、線性動(dòng)態(tài)范圍和切換速度方面提供出色的性能。然而,傳統(tǒng)開關(guān)式濾波器庫(kù)的頻段選擇能力有限,而且通常很大且昂貴。具有連續(xù)模擬或數(shù)字調(diào)諧功能的緊湊型可調(diào)濾波器IC克服了這些限制,對(duì)于許多應(yīng)用中的多頻段操作,它是開關(guān)式固定濾波器庫(kù)的有吸引力的替代方案。模擬可調(diào)濾波器提供電壓控制來(lái)調(diào)整中心和/或截止頻率,而數(shù)字可調(diào)濾波器的期望特性可以通過(guò)數(shù)字控制接口來(lái)配置??烧{(diào)諧濾波器可以提供優(yōu)異的通帶特性、良好的阻帶抑制、寬調(diào)諧范圍和快速建立時(shí)間,滿足當(dāng)今廣泛RF應(yīng)用的苛刻要求

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圖4.濾波器頻率響應(yīng):(a) 低通濾波器,(b) 高通濾波器,(c) 帶通濾波器,(d) 帶阻濾波器

RF開關(guān)

RF開關(guān)是用于路由高頻信號(hào)通過(guò)信號(hào)鏈的控制器件。其關(guān)鍵功能可以利用不同類型的開關(guān)元件實(shí)現(xiàn),包括PIN二極管、FET晶體管或微機(jī)械懸臂梁。根據(jù)開關(guān)元件的布置方式,開關(guān)設(shè)計(jì)可以有不同數(shù)量的“刀”(由開關(guān)控制的單獨(dú)電路)和“擲”(開關(guān)可以為每個(gè)“刀”使用的單獨(dú)輸出路徑)。單刀n擲(SPnT)開關(guān)將信號(hào)從一個(gè)輸入路由到n個(gè)輸出。例如,單刀單擲(SPST)開關(guān)將一個(gè)輸入連接到一個(gè)輸出,提供簡(jiǎn)單的開關(guān)功能;單刀雙擲(SPDT)開關(guān)將一個(gè)輸入連接到兩個(gè)輸出(參見圖5a);單刀四擲(SP4T)開關(guān)將輸入信號(hào)路由到四個(gè)輸出路徑(參見圖5b)。RF開關(guān)還可以有多個(gè)“刀”,此類開關(guān)稱為轉(zhuǎn)換開關(guān)(參見圖5c)。最常見的例子是雙刀雙擲(DPDT)配置,其具有兩個(gè)單獨(dú)的電路,這些電路可以連接到兩個(gè)輸出路徑中的一個(gè)。

RF開關(guān)設(shè)計(jì)可以有更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其將多個(gè)較低階的開關(guān)組合在一起。此類IC稱為開關(guān)矩陣或交叉點(diǎn)開關(guān),可在多個(gè)輸入和多個(gè)輸出之間提供靈活的RF信號(hào)路由。

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圖5.RF開關(guān)示例:(a) 吸收式SPDT、(b) 反射式SP4T和 (c) 控制轉(zhuǎn)換開關(guān)及真值表示例。(注意:RFC = RF公共端口,CTRL = 控制電壓端口)。

無(wú)論開關(guān)配置如何,我們都可以區(qū)分出反射式開關(guān)和吸收式開關(guān)(也稱為非反射式或端接開關(guān))。其主要區(qū)別在于,吸收式開關(guān)包含一個(gè)匹配負(fù)載,用于端接關(guān)斷狀態(tài)下的輸出端口,以使電壓駐波比(VSWR)最小(參見圖5a)。此特性使得吸收式開關(guān)在兩種開關(guān)模式下均能保持良好的回波損耗,這是反射式開關(guān)所不能提供的。然而,與反射式開關(guān)相比,吸收式開關(guān)的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是功率處理能力較低且電路復(fù)雜性較高。

RF開關(guān)IC可以采用多種不同技術(shù)實(shí)現(xiàn),包括硅基半導(dǎo)體CMOS和S01、化合物半導(dǎo)體GaAs和GaN以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)7,8。每種技術(shù)在頻率范圍、功率處理能力、隔離、插入損耗、開關(guān)速度、建立時(shí)間等關(guān)鍵性能規(guī)格方面都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。例如,GaAs的高溫性能更優(yōu)越,GaN廣泛用于高功率應(yīng)用硅基工藝在建立時(shí)間、集成能力、低頻特性和高ESD魯棒性等方面勝出?。替代性MEMS技術(shù)在很小的芯片級(jí)封裝中提供微機(jī)械繼電器,獨(dú)特地支持直流精度性能,具有高線性度和功率,而開關(guān)速度、有限周期壽命和熱切換限值方面較差。

RF衰減器

RF衰減器可降低RF信號(hào)的強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)與放大器相反的功能。它是用于調(diào)整信號(hào)鏈中的增益和平衡信號(hào)電平的控制器件。RF衰減器IC通常是吸收式(傳輸型)器件。我們可以一般地區(qū)分出固定衰減器(具有不變的袁減水平)和可變?cè)瑴p器(支持調(diào)整衰減水平)。具有一組離散袁減水平的可變減器IC稱為數(shù)字步進(jìn)衰減器(DSA),其通常用于信號(hào)粗略校準(zhǔn),受預(yù)定衰減步長(zhǎng)的限制。電壓可變衰減器(VVAS)用于控制精細(xì)信號(hào)。與DSA相反,VVA支持連續(xù)調(diào)整衰減水平,可以將其設(shè)置為給定范圍內(nèi)的任何值。所有類型的RF衰減器在工作頻率范圍內(nèi)都應(yīng)以良好的VSWR提供平坦的衰減性能,而DSA還必須確保無(wú)故障操作以減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的信號(hào)失真7

RF檢波器

基本形式的集成式RF檢波器是一個(gè)2端口器件,提供與施加于輸入端的RF信號(hào)功率成比例的輸出電壓信號(hào)。與基于二極管的分立檢波器實(shí)現(xiàn)相反,集成式RF檢波器提供多種開箱即用的優(yōu)勢(shì),包括寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出電壓、更容易的器件校準(zhǔn)和用于與ADC直接接口的緩沖輸出9。最常見RF檢波器IC是各類需要測(cè)量RF信號(hào)功率幅度的應(yīng)用中使用的標(biāo)量檢波器。標(biāo)量檢波器的主要類型包括RMS功率檢波器、對(duì)數(shù)檢波器和包絡(luò)檢波器。

RMS功率檢波器提供施加于RF輸入的實(shí)際信號(hào)功率的精確rms表示。有線性響應(yīng)rms檢波器,其rms輸出是線性響應(yīng)的直流電壓,還有線性dB響應(yīng)的對(duì)數(shù)rms檢波器,實(shí)際RF輸入功率每改變1 dB,其輸出電壓也改變相同的量。這兩類rms檢波器非常適合不需要快速響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用,測(cè)量復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)(其高波峰因數(shù)隨時(shí)間而變化)的波形無(wú)關(guān)功率。它們通常用于平均功率監(jiān)測(cè)、發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度指示(TSSI)、接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)和自動(dòng)增益控制(AGC)。

對(duì)數(shù)檢波器(也稱為對(duì)數(shù)放大器)將輸入RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為精確的對(duì)數(shù)線性直流輸出電壓。對(duì)數(shù)檢波器提供非常高的動(dòng)態(tài)工作范圍。這是利用連續(xù)壓縮方法實(shí)現(xiàn)的,依賴于一系列耦合到檢波器的級(jí)聯(lián)限幅放大器,其輸出在級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出級(jí)加總。隨著輸入功率增加,連續(xù)放大器逐漸進(jìn)入飽和,從而生成對(duì)數(shù)函數(shù)近似值。對(duì)數(shù)檢波器非常適合于高動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用,包括RSSI和RF輸入保護(hù)。

連續(xù)檢波對(duì)數(shù)視頻放大器(SDLVA)是一種特殊類型的對(duì)數(shù)檢波器,提供平坦的頻率響應(yīng)和優(yōu)越的上升/下降與延遲時(shí)間,因而是要求超高速性能的應(yīng)用(包括瞬時(shí)頻率測(cè)量、方向查找接收器和電子智能應(yīng)用)的首選解決方案。

包絡(luò)檢波器(也稱為峰值檢波器或AM檢波器)提供與RF輸入信號(hào)的瞬時(shí)幅度成比例的基帶輸出電壓。包絡(luò)檢波器IC通常利用快速切換肖特基二極管實(shí)現(xiàn),因而是需要非??焖夙憫?yīng)時(shí)間的較低動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用的理想解決方案。包絡(luò)檢波器的典型應(yīng)用包括PA偏置控制中的效率增強(qiáng)包絡(luò)跟蹤、PA線性化、快速過(guò)大RF功率保護(hù)、高分辨率脈沖檢測(cè)和I/Q調(diào)制器的LO泄漏校正。

除了標(biāo)量檢波器外,還有一種稱為矢量功率測(cè)量IC的集成檢波器。它們提供超出標(biāo)量功率測(cè)量功能的擴(kuò)展能力10 。矢量功率測(cè)量檢波器可以測(cè)量信號(hào)的多個(gè)參數(shù),包括幅度、相位和沿著傳輸路徑的行進(jìn)方向(前向或反向)。在無(wú)線發(fā)射器中的天線調(diào)諧、模塊化系統(tǒng)中的內(nèi)置測(cè)試和材料分析等應(yīng)用中,此類器件是在線測(cè)量散射參數(shù)的理想解決方案。

第2部分結(jié)論

在RF信號(hào)鏈系列的第二部分中,我們討論了代表典型RF信號(hào)鏈的基本構(gòu)建模塊的一些主要RF IC,并進(jìn)行了分類。但是,在此概述中,我們僅觸及了各種類型和形式的RF器件的皮毛。越來(lái)越復(fù)雜的RF系統(tǒng)需要更完整的信號(hào)鏈解決方案,這導(dǎo)致了將多個(gè)功能模塊整合在同一封裝中或一個(gè)芯片上的眾多IC設(shè)計(jì)的發(fā)展。這些器件可以集成混頻器、PLL、VCO、放大器、檢波器和其他器件,以緊湊的外形尺寸提供高度先進(jìn)的功能,并提供更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、更低的功耗、更低的成本和更短的開發(fā)周期。

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11.“2020年RF、微波和毫米波產(chǎn)品選型指南”。ADI公司,2020年8月。

作者簡(jiǎn)介

Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后,Anton曾在德國(guó)航空航天中心(DLR)擔(dān)任科學(xué)家。他于2015年加入ADI公司擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,目前為ADI公司戰(zhàn)略與重點(diǎn)客戶提供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持,主要負(fù)責(zé)RF應(yīng)用。

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