四分之一波长在功放设计中的应用

射频系统设计第一步是什么？是选择架构，在选择器件之前确实是要选好架构，到底是超外差还是零中频还是直采？在选择架构之前需要对架构的优势和缺陷有较深的理解，各个架构的优势和缺陷是什么呢？超外差架构超外差结构系统是由Armstrong在1917年提出的，自提出至今仍被广泛使用，超外差结构由于采用二次变频形式，在中频电路中使用中频滤波器，可以使系统获得更好的选择性，超外差结构收发信机框图如图所示。 超外差结构收发信机框图前文提到超外差结构可以通过选择中频和滤波器获得更好的选择性。对于中频选择至关重要，中频设计原则： 原则1：镜像频率需要足够的过渡带抑制，当出现一个频率与本振相减为中频的干扰信号时，干扰信号经过混频器混频输出与中频相同频率的干扰信号，干扰信号会严重影响接收机的灵敏度。因此要降低镜像频率的干扰。降低镜像频率干扰的方法是，通过预选滤波器将镜像频率干扰降到最低。由式（2.1）可知镜像频率产生的原因，式中fNF为镜像频率，fLO为本振频率，fIF为中频频率。镜像频率与系统的关系如图2-3所示。 （2.1）根据预选滤波器的带外抑制，选择合适的中频。 镜像频率与系统的关系原则2：M*RF+/-N*LO的杂散必须尽量少的落进中频，保证M*N的杂散不影响接收机性能。如果落进中频，尽量高阶，如按223~231MHz，设置M、N为10阶，计算无杂散落入中频带内，落入中频带内的杂散为高阶混频杂散，高阶混频杂散通常处于噪底下。杂散计算可用APPCAD计算，APPCAD混频杂散仿真如图2-4所示。 APPCAD混频杂散仿真原则3：中频的2 次，3次谐波需要能推出带内，以便LC 滤波器可以滤波。零中频接收机本振频率(LO)和射频信号频率(RF)相等，镜像频率也就是信号频率本身。不存在镜像频率干扰的问题，原超外差接收机结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器都可以省略。这样一方面取消外部元件，有利于系统的单芯片实现。如图所示，混频器后面是一个模拟低通滤波器，该滤波器作为通道选择滤波器和AD前端的抗混叠滤波器。如果接收机的通道选择性完全由该滤波器实现，那么要求该滤波器的截止频率为信号带宽的一半，以有效抑制邻道和更远端的信道干扰。 由于该滤波器工作在低频，因此可以用有源模拟滤波器实现，注意上下两个分支幅度响应匹配。有源模拟滤波器相对于超外差接收中的无源中频滤波器输入动态范围有限，并且阻带衰减有限。零中频架构的还有一个很容易被忽视的特点，基带输入放大器通常构造为一个有源低通滤波器，其作为集成模拟滤波器运行，这大大减轻了模拟滤波器的负担。结合片内抽取滤波，它还能用作可编程通道滤波器，消除比奈奎斯特相关信号更近的信号。此外，零中频接收机内的采样器件通常包括反馈，可提供额外的带外抑制。实际上，这意味着无线电的带外区域比带内区域具有更大的满量程范围。正如图3中的简化图所示，零中频无线电本质上对带外信号具有良好的容忍度。图3中的纵轴表示相对于带内的会导致灵敏度下降3 dB的输入功率水平，它表明带内信号本身对带外信号具有容忍度，这是其他架构所没有的。 零中频接收机结构虽然减小镜像信号抑制问题，但同时带来了其他问题。这些问题主要是由于输入信号的放大组要集中在基带。这些问题包括：接收机的偶次非线性失真本振泄露和直流偏置直流偏置Flicker噪声射频直采方案 直采方案如上图所示，RF经过滤波器、LNA、直接进入ADC进行采样变换。直接RF采样的主要优点是简化了RF信号链，降低了每个通道的成本以及通道密度。基于直接RF采样架构的仪器由于使用的模拟组件较少，因此外形尺寸通常更小，功率效率更高。如果构建的是高通道数系统，直接RF采样可以减少系统的占地面积和成本。在构建完全有源的相控阵雷达等系统时，这一点尤其重要，因为这些雷达通过对来自多达数百甚至数千个天线发射的信号进行移相来形成波束。由于同一系统包含有多个RF信号发生器和分析仪，因此每个通道尺寸和成本便成为一个重要的考量因素。除了尺寸、重量和功率（SWaP）减小之外，简化的架构还可消除RF仪器本身内部可能的噪声、映像和其他误差来源，例如LO泄漏和正交减损。其次，直接RF采样架构还可以简化同步。例如，要实现RF系统的相位一致性，必须同步RF仪器的内部时钟和LO。在不需要LO的直接采样中，只需关注器件的时钟同步即可。同样，对于需要多个相位相干RF接收器的相控阵雷达应用中，直接采样架构是简化设计的有效选择。最后，直接RF采样可实现高速跳频。零中频架构中锁相环的实现在模拟电路，一般锁相环电路锁定时间在50us左右，加上数据加载一级业务处理，一般就只能实现在千跳级别。 RF采样的频率源实现是数字域的，没有硬件的限制，它的跳频可以实现万跳级别。总结对比了这么多，在设计方案的时候知道该怎么选择和设计了吗？其实很多人还是不知道 ，架构的选择设计在于结合需求和产品的使用场景、形态去择优。有的在需求中虽然没有体现，但是使用场景的结合就必须要选择超外差设计。如果你有困惑，对框架设计不理解，器件增益该设计多少、衰减该控制多少、滤波器应该加在什么地方、该选择什么指标的器件、指标该如何分解。就来听一听射频收发系统设计这个课。 来源：射频通信链