宽带低EVM直接变频发射机设计

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500MHz至4.4GHz范围内的RF频率。PLL中的本振(LO)执行谐波滤波，确保提供出色的正交精度、边带抑制和低误差矢量幅度(EVM)。

低噪声、低压差调节器(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500MHz至4.4GHz频率范围内业界领先的直接变频发射机性能。

图1：直接变频发射机(原理示意图：未显示所有连接和去耦)。

图2：CN-0285直接变频发射机评估板。

电路描述

图1所示电路使用完全集成的小数N分频PLL IC ADF4351和宽带发射调制器ADL5375。ADF4351向发射正交调制器ADL5375提供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。ADF4351采用超低噪声3.3V ADP150调节器供电，以实现最佳LO相位噪声性能。ADL5375则采用5V ADP3334 LDO供电。ADP150 LDO的输出电压噪声仅为9μVrms，有助于优化VCO相位噪声并减少VCO推压的影响(等效于电源抑制)。

需要对ADF4351 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 30dBc以下，则可以实现 40dBc或更好的边带抑制性能。ADF4351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-30dBc，大约需要衰减20dB。

表1：ADF4351 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。这些滤波器设计采用100Ω差分输入(ADF4351 RF输出经适当匹配)以及50Ω差分输出(ADL5375 LOIN差分阻抗)。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3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(>2GHz)，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(<2GHz)，全差分滤波器足以满足需要。

ADF4351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=50Ω)，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100Ω)放置在C1c位置上，以最大程度减少电路板占位空间(见表2中的B型滤波器)。

将滤波器设计成截止频率约为目标频段中最高频率的1.2至1.5倍。该截止频率允许设计留有一定余量，因为通常截止频率会由于寄生效应而低于设计值。印刷电路板(PCB)寄生效应可以在电磁(EM)仿真工具中进行仿真，以提高精度。

图3：ADF4351 RF输出滤波器原理图。

表2：ADF4351 RF输出滤波器元件值(DNI=不插入)。

从表2可以看出，在1250MHz以下的较低频率时，需要一个五阶滤波器。对于1.25GHz至2.8GHz的频率，三阶滤波器便足够。对于2.8GHz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。

图4：B型滤波器的边带抑制(850MHz至2450MHz)。

图5：EVM图。

对于使用B型滤波器(800MHz至2,400MHz)的电路，其边带抑制性能与频率的关系如图4所示。此次扫描的测试条件如下：

.基带I/Q幅度=1Vp-p差分正弦波与500mV(ADL5375-05)直流偏置正交。

.基带I/Q频率(fBB)=1MHz。

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(见图5)。

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 I/Q调制发生器，通过差分I和Q模拟输出产生。另外还使用了B型滤波器。图6为EVM测试设置的框图。为了进行比较，还测量了ADF4350。ADF4351由于带内PLL噪声性能改善产生较低的EVM可参见表3。其他改善EVM的因素有：ADF4351较低的鉴频鉴相器(PFD)杂散水平。

表3：单载波W-CDMA复合EVM结果：ADF4351 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)。

图6：EVM测量设置(原理示意图)。

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，这一优势提高了调制器输出OIP2性能2dB至5dB。请注意，多数外部VCO仅提供单端输出，因此ADF4351采用差分输出优于使用外部VCO。

图7显示使用850MHz至2450MHz滤波器(B型滤波器)的边带抑制结果。

图7：850MHz至2450MHz、B型滤波器的边带抑制结果。

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ADF4351的辅助输出，在两种类型的滤波器之间切换(见图8)。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。

图8：利用ADF4351的主输出和辅助输出实现滤波器切换的应用图。

电路评估与测试

eva l-CN0285-EB1Z评估板包含CN-0285中描述的电路，可以快速完成设置并评估电路性能。eva l-CN0285-EB1Z板的控制软件使用标准ADF4351编程软件，该软件包含在评估板附带的光盘上。