宽带低EVM直接变频发射机

发布时间:2011-2-26 10:06    发布者:1770309616
电路功能与优势 本电路为宽带直接变频发射机模拟部分的完整实施方案(模拟基带输入、RF输出)。通过使用锁相环(PLL)和宽带集成电压控制振荡器(VCO),本电路支持500 MHz至4.4 GHz范围内的RF频率。PLL中的LO执行谐波滤波,确保提供出色的正交精度。低噪声LDO确保电源管理方案对相位噪声和EVM没有不利影响。这种器件组合可以提供500 MHz至4.4 GHz频率范围内业界领先的直接变频发射机性能。

电路描述

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图1:直接变频发射机(原理示意图:未显示去耦和所有连接)
             图1所示电路使用完全集成的小数N分频PLL ICADF4350和宽带发射调制器ADL5375。ADF4350向发射正交调制器ADL5375提供本振(LO)信号,后者将模拟I/Q信号上变频为RF信号。两个器件共同提供宽带基带I/Q至RF发射解决方案。ADF4350采用超低噪声3.3 VADP150调节器供电,以实现最佳LO相位噪声性能。ADL5375则采用5 VADP3334 LDO供电。ADP150 LDO的输出电压噪声仅为9 μVrms,有助于优化VCO相位噪声并降低VCO推挤(相当于电源抑制)的影响。

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图2. 直接变频发射机评估板

需要对ADF4350 RF输出进行滤波,以衰减谐波水平,使ADL5375正交产生模块的误差最小。依据测量和仿真得知,奇次谐波对正交误差的贡献大于偶次谐波;如果将奇次谐波衰减至−30 dBc以下,则可以实现−40 dBc或更好的边带抑制性能。ADF4350数据手册给出了其二次谐波(2H)和三次谐波(3H)水平,如表1所示。为使三次谐波低于-30 dBc,大约需要衰减20 dB。
谐波成分(二次)−19 dBc基波VCO输出
谐波成分(三次)−13 dBc基波VCO输出
谐波成分(二次)−20 dBc分频VCO输出
谐波成分(三次)−10 dBc分频VCO输出

表1. ADF4350 RF输出谐波水平(未经滤波)
本电路提供四种不同的滤波器选项,以适应四个不同的频段。这些滤波器针对100 Ω差分输入(ADF4350 RF输出及适当的匹配)和50 Ω差分输出(ADL5375 LOIN差分阻抗)而设计,并采用切比雪夫响应,以获得最佳滤波器滚降,但通道纹波会增多。
滤波器原理图如图1所示。这种拓扑结构十分灵活,既可以使用全差分滤波器,使器件数量最少,也可以对各路输出使用一个单端滤波器,或者综合运用以上二者。我们发现,对于较高频率(>2 GHz),两个单端滤波器的串联电感值是全差分滤波器电感值的两倍,因而器件寄生效应的影响得以减小,可提供最佳性能。对于较低频率(<2 GHz),全差分滤波器足以满足需要。
ADF4350输出匹配包括ZBIAS 上拉电阻,电源节点的去耦电容也起到一定的作用。为实现宽带匹配,建议使用阻性负载(ZBIAS = 50 Ω),或者将一个阻性负载与ZBIAS的电抗性负载并联。后者提供的输出功率稍高,具体取决于所选的电感。请注意,可以将并联电阻作为差分元件(即100 Ω)放置在位置C1c,使电路板空间最小。表2中的c型滤波器即为这种情况。
寄生效应常常会导致截止频率低于设计值,所以滤波器的设计截止频率应为目标频段中最高频率的约1.2至1.5倍,留出一定的余量。PCB寄生效应可以在EM仿真工具中进行仿真,以提高精度。

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图3. ADF4350 RF输出滤波器原理图

频率范围(MHz)ZBIASL1 (nH)L2 (nH)C1a (pF)C1c (pF)C2a (pF)C2c (pF)C3a (pF)C3c (pF)
a. 500–130027 nH|| 50 Ω3.93.9DNI4.7DNI5.6DNI3.3
b. 850–245019 nH || (100 Ω in position C1c)2.72.73.3100 Ω4.7DNI3.3DNI
c. 1250–280050 Ω0 Ω3.6DNIDNI2.2DNI1.5DNI
d. 2800–44003.9 nH0 Ω0 ΩDNIDNIDNIDNIDNIDNI

表2. ADF4350 RF输出滤波器元件值(DNI = 不插入)
从表2可以看出,在1250 MHz以下的较低频率时,需要一个五阶滤波器。对于1.25 GHz至2.8 GHz的频率,三阶滤波器便足够。对于2.8 GHz以上的频率,由于此时谐波水平非常低,足以满足边带抑制要求,因此无需滤波。

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图4. 滤波器b的边带抑制(850 MHz至2450 MHz)

对于使用滤波器b(850 MHz至2450 MHz)的电路,其边带抑制性能与频率的关系如图4所示。此次扫频的测试条件如下:基带I/Q幅度 = 1 V峰峰值差分正弦波,与500 mV (ADL5375-05)直流偏置正交;基带I/Q频率(fBB) = 1 MHz。

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图5. EVM图

误差矢量幅度(EVM)衡量数字发射机或接收机的性能质量,反映幅度和相位误差所导致的实际星座点与理想位置的偏差。EVM图如图5所示。
表3给出了有滤波器和无滤波器两种情况下的EVM测量结果。本例中,基带I/Q信号是利用3GPP测试模型4,使用Rhode & Schwarz AMIQ(数字输出)和外部16位DAC板(AD9788)而产生。另外还使用了滤波器b。图6为EVM测试设置的框图。

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图6. EVM测量设置(原理示意图)

邻道泄漏比(ACLR)衡量相邻通道的功率与主通道功率的关系,用dBc表示。
LO相位噪声和调制器的线性度是ACLR的主要影响因素。ACLR测试设置与EVM测试设置大致相同,只不过同轴滤波器位于AD9788 DAC板的I/Q输出端,以便减少混叠产物。

频率(MHz)复合EVM,无LO滤波复合EVM,有LO滤波,滤波器C调制器输出功率(dBm)
21403.50%1.80%−7
18003.40%1.50%−7
9003.30%0.90%−7

表3. 单载波W-CDMA复合EVM结果:ADF4350 RF输出端有滤波器和无滤波器两种情况对比
(根据3GPP规范测试模型4测量)
以差分方式驱动ADL5375 LO输入,除了可以改善边带抑制和EVM之外,还具有性能优势。与单端LO驱动相比,调制器OIP2性能可以提高2 dB至5 dB。请注意,多数外部VCO仅提供单端输出,因此ADF4350采用差分输出优于使用外部VCO。
图7显示使用850 MHz至2450 MHz滤波器(滤波器b)的边带抑制结果。

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图7. 850 MHz至2450 MHz滤波器b的边带抑制结果
常见变化
当单个滤波器无法完成所需的宽带操作时,可以使用ADF4350的辅助输出,在两种类型的滤波器之间切换。图8显示了这种情况:使用一个RF双刀四掷开关(DP4T)选择滤波器1或滤波器2的差分输出。

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图8. 利用ADF4350的主输出和辅助输出实现滤波器切换的应用图
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