宽带低EVM直接变频发射机

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

 
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。

宽带低EVM直接变频发射机 (CN0134)
 

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。

宽带低EVM直接变频发射机 (CN0134)
 

图3. ADF4350 RF输出滤波器原理图

频率范围(MHz) ZBIAS L1 (nH) L2 (nH) C1a (pF) C1c (pF) C2a (pF) C2c (pF) C3a (pF) C3c (pF)
a. 500–1300 27 nH|| 50 Ω 3.9 3.9 DNI 4.7 DNI 5.6 DNI 3.3
b. 850–2450 19 nH || (100 Ω in position C1c) 2.7 2.7 3.3 100 Ω 4.7 DNI 3.3 DNI
c. 1250–2800 50 Ω 0 Ω 3.6 DNI DNI 2.2 DNI 1.5 DNI
d. 2800–4400 3.9 nH 0 Ω 0 Ω DNI DNI DNI DNI DNI DNI

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。

宽带低EVM直接变频发射机 (CN0134)
 

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。

宽带低EVM直接变频发射机 (CN0134)
 

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。

宽带低EVM直接变频发射机 (CN0134)

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)
2140 3.50% 1.80% −7
1800 3.40% 1.50% −7
900 3.30% 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。

宽带低EVM直接变频发射机 (CN0134) 
 

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。

宽带低EVM直接变频发射机 (CN0134)
 

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