【無線射頻芯片】-X和Ku波段小尺寸無線電設(shè)計(jì)

1/1X和Ku波段小尺寸無線電設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信、雷達(dá)和信號(hào)情報(bào)(SIGINT)領(lǐng)域的很多航空航天和防務(wù)電子系統(tǒng)早就要求使用一部分或全部X和Ku頻段。隨著這些應(yīng)用轉(zhuǎn)向更加便攜的平臺(tái)，如無人機(jī)(UAV)和手持式無線電等，開發(fā)在X和Ku波段工作，同時(shí)仍舊保持極高性能水平的新型小尺寸、低功耗無線電設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要。本文介紹一種新型高中頻架構(gòu)，其顯著削減了接收機(jī)和放射機(jī)的尺寸、重量、功耗與成本，而系統(tǒng)規(guī)格不受影響。由此產(chǎn)生的平臺(tái)與現(xiàn)有無線電設(shè)計(jì)相比，模塊化程度、敏捷性和軟件定義程度也更高。

簡介

近年來，推動(dòng)RF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更寬帶寬、更高性能、更低功耗，同時(shí)提高頻率范圍并縮小尺寸的力氣越來越強(qiáng)大。這一趨勢(shì)已成為技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力，RF器件的集成度遠(yuǎn)超以往所見。有很多因素在推動(dòng)這一趨勢(shì)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)為了發(fā)送和接收每天收集到的數(shù)TB數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求已達(dá)到4Gbps。這一要求推動(dòng)系統(tǒng)的工作頻率提高到Ku和Ka波段，緣由是在這些頻率上更簡單實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬和更高的數(shù)據(jù)速率。這勢(shì)必導(dǎo)致通道密度更高，每通道的帶寬更寬。

在信號(hào)情報(bào)領(lǐng)域，性能要求也在不斷提高。此類系統(tǒng)的掃描速率越來越高，故而要求系統(tǒng)具有快速調(diào)諧PLL和寬帶寬掩蓋范圍。對(duì)尺寸更小、重量更輕、功耗更低(SWaP)和集成度更高系統(tǒng)的需求，源于業(yè)界盼望在現(xiàn)場操作手持式設(shè)備，以及盼望提高大型固定位置系統(tǒng)的通道密度。

相控陣的進(jìn)展同樣得益于單芯片RF系統(tǒng)集成度的提高。集成讓收發(fā)器越來越小，使得每個(gè)天線元件都可以有自己的收發(fā)器，進(jìn)而促使模擬波束賦形向數(shù)字波束賦形轉(zhuǎn)變。通過數(shù)字波束賦形，單一陣列可以同時(shí)追蹤多個(gè)波束。相控陣系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，包括天氣雷達(dá)和定向通信等。由于低頻信號(hào)環(huán)境變得越來越擁堵，很多應(yīng)用不行避開地要求提高頻率。

本文介紹如何利用一種高度集成的架構(gòu)來應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，該架構(gòu)將AD9371收發(fā)器用作中頻接收機(jī)和放射機(jī)，使得整個(gè)中頻級(jí)及其相關(guān)器件都可以從系統(tǒng)中移除。文中比較了傳統(tǒng)系統(tǒng)與提議的架構(gòu)，并舉例說明白如何通過典型設(shè)計(jì)流程來實(shí)現(xiàn)此架構(gòu)。詳細(xì)說來，使用集成收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)一些高級(jí)頻率規(guī)劃，這是標(biāo)準(zhǔn)超外差樣式收發(fā)器做不到的。

超外差架構(gòu)概述

超外差架構(gòu)由于能實(shí)現(xiàn)很高的性能而成為多年來的首選架構(gòu)。超外差接收機(jī)架構(gòu)通常包括一個(gè)或兩個(gè)混頻級(jí)，混頻級(jí)饋入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。典型超外差收發(fā)器架構(gòu)如圖1所示。

圖1.傳統(tǒng)X和Ku波段超外差接收和放射信號(hào)鏈

第一轉(zhuǎn)換級(jí)將輸入RF頻率上變頻或下變頻至帶外頻譜。第一IF（中頻）的頻率取決于頻率和雜散規(guī)劃、混頻器性能以及RF前端使用的濾波器。然后，第一IF向下轉(zhuǎn)換為ADC可以數(shù)字化的較低頻率。雖然ADC在處理更高帶寬的力量上取得了巨大進(jìn)步，但為達(dá)到最優(yōu)性能，其頻率上限目前是2GHz左右。輸入頻率更高時(shí)，必需考慮性能損失，而且更高輸入頻率要求更高時(shí)鐘速率，這會(huì)導(dǎo)致功耗上升。

除混頻器外，還有濾波器、放大器和步進(jìn)衰減器。濾波用于抑制不需要的帶外(OOB)信號(hào)。若不加抑制，這些信號(hào)會(huì)在目標(biāo)信號(hào)上產(chǎn)生雜散，使目標(biāo)信號(hào)很難或無法進(jìn)行解調(diào)。放大器設(shè)置系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和增益，供應(yīng)足夠高的靈敏度以接收小信號(hào)，同時(shí)又不是太高以至于ADC過度飽和。

還有一點(diǎn)需要留意，此架構(gòu)經(jīng)常需要使用表面聲波(SAW)濾波器以滿意ADC嚴(yán)格的抗混疊濾波器要求。SAW濾波器會(huì)供應(yīng)急劇滾降性能以滿意這些要求，但同時(shí)也會(huì)帶來明顯的延遲和紋波。

圖2所示為一個(gè)X波段超外差接收機(jī)頻率規(guī)劃示例。該接收機(jī)盼望接收8GHz和12GHz之間的信號(hào)，帶寬為200MHz。目標(biāo)頻譜與可調(diào)諧本振(LO)混頻，產(chǎn)生5.4GHzIF。然后，5.4GHzIF與5GHzLO混頻以產(chǎn)生最終的400MHzIF。最終IF范圍是300MHz至500MHz，這是許多ADC能夠發(fā)揮良好性能的頻率范圍。

圖2.X波段接收機(jī)頻率規(guī)劃示例

接收機(jī)的重要特性

除了熟知的增益、噪聲系數(shù)和三階交調(diào)截點(diǎn)特性以外，影響接收機(jī)架構(gòu)頻率規(guī)劃的其他典型特性包括鏡像抑制、IF抑制、自發(fā)雜散和LO輻射。

鏡像雜散目標(biāo)頻段之外的RF，其與LO混頻產(chǎn)生IF的干擾。

IF雜散IF頻率的信號(hào)，其通過混頻器之前的濾波潛入，顯示為IF干擾。

LO輻射來自LO的RF泄漏到接收機(jī)鏈的輸入連接器。LO輻射是可以檢測到的，即使在僅接收的工作模式下也能檢測（參見圖3）。

圖3.LO輻射泄漏通過前端返回

自發(fā)雜散接收機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘或本振混頻導(dǎo)致的IF雜散。鏡像抑制特性同時(shí)適用于第一和其次混頻級(jí)。在X和Ku波段的典型應(yīng)用中，第一混頻級(jí)的中心頻率可以是5GHz到10GHz范圍的高IF。這里需要高IF，緣由是鏡像頻率為Ftune+2IF，如圖4所示。IF越高，鏡像頻段離得越遠(yuǎn)。此鏡像頻段必需在其到達(dá)第一混頻器之前加以抑制，否則此范圍內(nèi)的帶外能量會(huì)表現(xiàn)為第一IF中的雜散。這是通常使用兩個(gè)混頻級(jí)的主要緣由之一。假如只有一個(gè)混頻器，并且IF為數(shù)百M(fèi)Hz，那么將很難在接收機(jī)前端中抑制鏡像頻率。

圖4.混頻進(jìn)入IF的鏡像

將第一IF下變頻至其次IF時(shí)，其次混頻器也存在一個(gè)鏡像頻段。其次IF的頻率較低（幾百M(fèi)Hz到2GHz），故第一IF濾波器的濾波要求可能視狀況而不同。對(duì)于其次IF為幾百M(fèi)Hz的典型應(yīng)用，高頻第一IF的濾波可能特別困難，需要很大的定制濾波器。這經(jīng)常是系統(tǒng)中最難設(shè)計(jì)的濾波器，由于頻率很高且抑制要求通常很窄。

除鏡像抑制外，還必需有力地濾除從混頻器返回接收輸入連接器的LO功率水平。這樣可確保無法由于輻射功率而檢測到用戶。為此，LO應(yīng)遠(yuǎn)離RF通帶，確?？梢詫?shí)現(xiàn)充分濾波。

高中頻架構(gòu)概述

最新集成收發(fā)器產(chǎn)品包括AD9371，它是一款300MHz至6GHz直接變頻收發(fā)器，具有兩個(gè)接收通道和兩個(gè)放射通道。接收和放射帶寬可在8MHz至100MHz范圍內(nèi)調(diào)整，工作模式可配置為頻分雙工(FDD)或時(shí)分雙工(TDD)。該器件采納12mm2封裝，TDD模式下功耗約為3W，F(xiàn)DD模式下功耗約為5W。由于正交糾錯(cuò)(QEC)校準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，它實(shí)現(xiàn)了75dB到80dB的鏡像抑制性能。

圖5.AD9371直接變頻收發(fā)器功能框圖

集成收發(fā)器IC的性能進(jìn)步開啟了新的可能性。AD9371集成了其次混頻器、其次IF濾波和放大、可變衰減ADC以及信號(hào)鏈的數(shù)字濾波和抽取功能。在該架構(gòu)中，AD9371（其調(diào)諧范圍為300MHz至6GHz）可調(diào)諧到3GHz和6GHz之間的頻率，直接接收第一IF（參見圖6）。其增益為16dB，NF為19dB，5.5GHz時(shí)的OIP3為40dBm，故AD9371是特別抱負(fù)的IF接收機(jī)。

圖6.X或Ku波段TRx，AD9371用作中頻接收機(jī)

集成收發(fā)器用作IF接收機(jī)，便不再需要像超外差接收機(jī)那樣擔(dān)憂通過其次混頻器的鏡像，這可以大大降低第一IF帶的濾波需求。不過，為了消退收發(fā)器中的二階效應(yīng)，仍舊需要肯定的濾波。第一IF帶現(xiàn)在應(yīng)以兩倍的第一IF頻率供應(yīng)濾波以消退此類效應(yīng)，這比濾除其次鏡像和其次LO要簡單得多，它可能接近數(shù)百M(fèi)Hz。通常，利用低成本的小型LTCC濾波器成品即可滿意此類濾波要求。

這種設(shè)計(jì)還使系統(tǒng)具有很高的敏捷性，可針對(duì)不同應(yīng)用而輕松加以重復(fù)使用。敏捷性的表現(xiàn)之一是IF頻率選擇。IF選擇的一般閱歷法則是讓它比經(jīng)過前端濾波的目標(biāo)頻譜帶寬高1GHz至2GHz。例如，若設(shè)計(jì)師需要4GHz頻譜帶寬（17GHz至21GHz）經(jīng)過前端濾波器，則IF可以位于5GHz頻率（比目標(biāo)帶寬4GHz高1GHz）。這有助于前端實(shí)現(xiàn)濾波。假如只需要2GHz帶寬，可以使用3GHz的IF。此外，AD9371具有軟件定義特性，很簡單隨時(shí)轉(zhuǎn)變IF，所以特殊適合需要避開堵塞信號(hào)的認(rèn)知無線電應(yīng)用。AD9371的帶寬也可以在8MHz至100MHz范圍內(nèi)輕松調(diào)整，有利于避開目標(biāo)信號(hào)四周的干擾。

高中頻架構(gòu)的高集成度使得最終的接收機(jī)信號(hào)鏈所占空間只有等效超外差架構(gòu)的50%左右，同時(shí)功耗降低30%。另外，高中頻架構(gòu)接收機(jī)比超外差架構(gòu)更為敏捷。這種架構(gòu)是要求小尺寸、高性能的低SWaP市場的福音。

高中頻架構(gòu)接收機(jī)頻率規(guī)劃

高中頻架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠調(diào)諧IF。當(dāng)試圖創(chuàng)建一個(gè)能避開干擾雜散的頻率規(guī)劃時(shí)，這種力量特殊有用。當(dāng)接收到的信號(hào)在混頻器中與LO混頻并產(chǎn)生一個(gè)非IF頻段內(nèi)目標(biāo)信號(hào)音的mn雜散時(shí)，就會(huì)引起干擾雜散。

混頻器依據(jù)公式mRFnLO產(chǎn)生輸出信號(hào)和雜散，其中m和n為整數(shù)。接收信號(hào)產(chǎn)生的mn雜散可能落在IF頻段中；某些狀況下，目標(biāo)信號(hào)音會(huì)引起一個(gè)特定頻率的交越雜散。

例如，若觀測一個(gè)設(shè)計(jì)為接收12GHz至16GHz信號(hào)且IF為5.1GHz的系統(tǒng)，如圖7所示，則引起帶內(nèi)雜散的mn鏡像頻率可依據(jù)下式確定：

圖7.12GHz至16GHzRxTx高中頻架構(gòu)

在此式中，RF為混頻器輸入端的RF頻率，其導(dǎo)致一個(gè)信號(hào)音落在IF中。試舉一例，假設(shè)接收機(jī)調(diào)諧到13GHz，這意味著LO頻率為18.1GHz(5.1GHz+13GHz)。將這些值代入上式，并允許m和n在0到3的范圍內(nèi)變動(dòng)，則可得到如下RF公式：

結(jié)果如下表所示。

表1.18.1GHzLO的MN雜散表

mnRFsum(GHz)RFdif(GHz)1123.2131241.331.11359.449.22111.66.52220.6515.552329.724.6317.7334.3333213.76710.3673319.816.4表中的第一行（黃色亮顯）顯示所需的13GHz信號(hào)，它是混頻器中的11的結(jié)果。其他亮顯單元顯示可能有問題的帶內(nèi)頻率，它們可能表現(xiàn)為帶內(nèi)雜散。例如，15.55GHz信號(hào)在12GHz到16GHz的目標(biāo)范圍內(nèi)。輸入端一個(gè)15.55GHz信號(hào)音與LO混頻，產(chǎn)生一個(gè)5.1GHz信號(hào)音(18.1215.552=5.1GHz)。其他未亮顯行也可能造成問題，但由于其在帶外，可以通過輸入帶通濾波器濾除。

雜散水平取決于多個(gè)因素。主要因素是混頻器的性能?；祛l器從根本上說是一個(gè)非線性器件，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多諧波。依據(jù)混頻器內(nèi)部二極管的匹配精度和混頻器雜散性能的優(yōu)化程度，可確定輸出雜散水平。數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)供應(yīng)一個(gè)混頻器雜散圖表，它可以關(guān)心確定雜散水平。表2所示的例子是混頻器HMC773ALC3B的雜散水平表。該表給出的是雜散相對(duì)于11目標(biāo)信號(hào)音的dBc水平。

表2.HMC773ALC3B混頻器雜散表

nLO012345mRF014.23532.150.361.411.917.731.132.861.228355.36059.6673.787.9382.686.16868.561.985.947686.782.177.474.975.8569.374.785.38785.162利用此雜散表并擴(kuò)展表1中所做的分析，我們便可全面了解哪些mn鏡像音可能會(huì)干擾接收機(jī)，以及其水平是多少。可以生成一個(gè)電子表格，其輸出與圖8所示相像。

圖8.12GHz至16GHzRx的mn鏡像

此圖中的藍(lán)色部分表示所需帶寬。線段表示不同的mn鏡像及其水平。由此圖很簡單知道，混頻器之前需要滿意什么樣的濾波要求才能消退干擾。本例中有多個(gè)鏡像雜散落在帶內(nèi)，無法濾除。下面將說明如何利用高中頻架構(gòu)的敏捷性來繞開其中的一些雜散，這是超外差架構(gòu)做不到的。

接收模式下避開干擾

圖9顯示了一個(gè)類似頻率規(guī)劃，其范圍是8GHz到12GHz，默認(rèn)IF為5.1GHz。此圖是混頻器雜散的另一種視圖，顯示了中心調(diào)諧頻率與mn鏡像頻率的關(guān)系，而不是之前所示的雜散水平。此圖中的1:1粗對(duì)角線表示期望的11雜散。圖上的其他直線代表mn鏡像。此圖左側(cè)代表IF調(diào)諧無敏捷性的部分。這種狀況下，IF固定在5.1GHz。調(diào)諧頻率為10.2GHz時(shí)，21鏡像雜散跨過目標(biāo)信號(hào)。這意味著假如調(diào)諧到10.2GHz，那么很有可能四周信號(hào)會(huì)堵塞目標(biāo)信號(hào)的接收。右側(cè)顯示了通過敏捷IF調(diào)諧解決這個(gè)問題的方法。這種狀況下，在9.2GHz四周時(shí)IF從5.1GHz切換到4.1GHz，從而防止交越雜散發(fā)生。

圖9.無IF敏捷性時(shí)的mn交越雜散（上），利用IF調(diào)諧避開交越（下）

這只是一個(gè)說明高中頻架構(gòu)如何避開堵塞信號(hào)的簡潔例子。當(dāng)結(jié)合智能算法來確定干擾并計(jì)算新的可能IF頻率時(shí)，便有很多可行的方法來構(gòu)建一種能夠敏捷適應(yīng)任何頻譜環(huán)境的接收機(jī)。這就像確定給定范圍（通常是3GHz到6GHz）內(nèi)的合適IF一樣簡潔，然后依據(jù)該頻率重新計(jì)算并設(shè)置LO。

高中頻架構(gòu)放射機(jī)頻率規(guī)劃

同接收頻率規(guī)劃一樣，也可以利用高中頻架構(gòu)的敏捷性來改善放射機(jī)的雜散性能。對(duì)接收機(jī)而言，頻率成分有時(shí)是無法猜測的。但對(duì)放射機(jī)而言，輸出端的雜散更簡單猜測。此RF成分可利用下式來猜測：

其中，IF通過AD9371調(diào)諧頻率預(yù)先確定，LO通過所需輸出頻率確定。

像對(duì)待接收通道一樣，放射側(cè)也可以生成混頻器圖表。示例如圖10所示。在此圖中，最大雜散是鏡像和LO頻率，利用混頻器之后的帶通濾波器可將其降到所需水平。在FDD系統(tǒng)中，雜散輸出可能會(huì)使鄰近接收機(jī)降敏，帶內(nèi)雜散會(huì)帶來問題，這種狀況下IF調(diào)諧的敏捷性便很有用。在圖10所示例子中，假如使用5.1GHz的靜態(tài)IF，放射機(jī)輸出端會(huì)存在一個(gè)接近15.2GHz的交越雜散。通過將14GHz調(diào)諧頻率時(shí)的IF調(diào)整到4.3GHz，便可避開該交越雜散，如圖11所示。

圖10.無濾波的輸出雜散

圖11.靜態(tài)IF引起交越雜散（上），利用IF調(diào)諧避開交越雜散（下）

設(shè)計(jì)示例寬帶FDD系統(tǒng)

為了展現(xiàn)這種架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的性能，我們利用ADI公司成品器件構(gòu)建了一個(gè)接收機(jī)和放射機(jī)FDD系統(tǒng)原型，其接收頻段的工作頻率范圍配置為12GHz至16GHz，放射頻率的工作頻率范圍為8GHz至12GHz。使用5.1GHz的IF來收集性能數(shù)據(jù)。接收通道的LO范圍設(shè)置為17.1GHz至21.1GHz，放射通道的LO范圍設(shè)置為13.1GHz至17.1GHz。原型的功能框圖如圖12所示。在該圖中，X和Ku變頻器板顯示在左側(cè)，AD9371評(píng)估板顯示在右側(cè)。

圖12.X和Ku波段RxTxFDD原型系統(tǒng)功能框圖

增益、噪聲系數(shù)和IIP3數(shù)據(jù)在接收下變頻器上收集，顯示于圖13（上）中。整體而言，增益約為20dB，NF約為6dB，IIP3約為2dBm。利用均衡器可實(shí)現(xiàn)額外的增益調(diào)整，或者利用AD9371中的可變衰減器執(zhí)行增益校準(zhǔn)。

圖13.Ku波段Rx數(shù)據(jù)（上），X波段Tx數(shù)據(jù)（下）

同時(shí)也測量了放射上變頻器，并記錄其增益、P1dB和OIP3。此數(shù)據(jù)與頻率的關(guān)系顯示于圖13（下）。增益約為27dB，P1dB約為22dBm，OIP3約為32dBm。

當(dāng)此板與集成收發(fā)器一起使用時(shí)，接收和放射的總體特性如表3所示。

表3.系統(tǒng)總體性能表

Rx,12GHz至16GHzTx,8GHz至12GHz增益36dB輸出功率23dBm噪聲系數(shù)6.8dB本底噪聲132dBc/HzIIP33dBmOIP331dBmPin，最大值

(無AGC)33dBmOP1dB22dBm帶內(nèi)mn60dBc帶內(nèi)雜散70dBc功耗3.4W功耗4.2W總的來說，接收機(jī)性能與超外差架構(gòu)相當(dāng)，而功耗大大降低。等效超外差設(shè)計(jì)的接收機(jī)鏈功耗會(huì)高于5W。此外，原型板的建筑并未以縮小尺寸為優(yōu)先目標(biāo)。利用適當(dāng)?shù)腜CB布局技巧，并將AD9371集成到與下變頻器相同的PCB上，采納這種架構(gòu)的解決方案總尺寸可縮小到僅4到6