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从这几款核心电子元器件下手,分析如何构建仪表级毫米波发射信号链

2021/4/19 10:54:29
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    在万物互联的时代,市场对更高带宽的需求是永无止境的。现在,范围约在20GHz至110GHz之间的毫米波频率变得越来越受欢迎,因为在毫米波频率下可以获得更高的带宽。随着半导体技术不断发展,可供使用的毫米波频率器件也变得越来越多,但是,毫米波器件的测试测量仪器仪表可能非常复杂。如何使仪器仪表解决方案满足毫米波设备的测试量需求,是通信测试行业面临的挑战。


    在这类设备的设计中,高性能信号链非常关键,例如高速转换器需要具有实现最新技术的宽带宽发射和接收通道所需的性能,高性能 PLL、正交调制器和解调器、宽带混频器、宽带开关和衰减器,以及完整的收发器、数据转换器和 RF 组件系列等也扮演着至关重要的角色。作为高性能模拟技术提供商,ADI公司可提供各种满足通信测试设备需求的解决方案,本文从该公司相几款核心电子元器件入手分析如何构建仪表级毫米波发射信号链。


    ▼  测量性能指标EVM的重要性


    误差矢量幅度 (EVM) 是数字调制准确度的一种标量测量,对于任何数字调制信号源来说都是一项重要的品质因数。在发送器调制器中实现低EVM是很重要,因为一个信号的EVM在通过发送/接收链路的每个组件时都将发生劣化。发送器上变频转换器、滤波器、功率放大器、接收器、甚至包括通信通道均会损害信号质量。


    下图显示了无线电器件的EVM浴盆曲线,此曲线显示了器件在操作功率下的可用动态范围。由于仪器仪表解决方案的EVM目标通常比大部份标准限值低一个数量级,所以如果将该限值应用于同一器件,就会发现该器件的可用范围缩小了。如何构建出EVM性能高出标准,是一个不小的挑战。

从这几款核心电子元器件下手,分析如何构建仪表级毫米波发射信号链

    在大多数情况下,通过元件选型和优化,可以大大改善EVM,但这可能还不够,通过重新配置系统,可以用噪声性能换取线性度性能,使曲线向右移动,当然也可以做相反的事情,重新配置系统以获得更好的噪声性能,曲线将向左移动,经过重新配置,可以创建一条新的浴盆曲线,如下图所示,它比原始设计好一个数量级。在这种设置下,设计人员可以使用一个高速数模转换器、一个毫米波上变频器、一个超低相位噪声转换环路器件和一个放大器来构建毫米波发射链。

从这几款核心电子元器件下手,分析如何构建仪表级毫米波发射信号链

    在该毫米波发射链中使用的是复中频拓扑,因为使用这种复中频拓扑之后,滤波可以得到简化,同时能够实现出色的整体性能。首先使用混合信号前端(MxFE)器件AD9082来创建复中频,该器件包含4个DAC,每个以12GSPS运行,可以使用内置的数字调制器直接生成复中频波形。然后将这些相隔90°的中频信号馈送至ADMV1013,该器件是一个集成式毫米波上变频器,配有内置的倍频器和可调谐的LO滤波器。接着使用转换环路器件ADF4401A生成载波信号,用于上变频操作,此器件生成的载波信号,具有非常整齐的光谱含量和超低相位噪声。最后将这个毫米波调制器的输出连接到毫米波频率放大器HMC635上,将结果输出连接至矢量信号分析仪。

从这几款核心电子元器件下手,分析如何构建仪表级毫米波发射信号链

    另外,使用集成到ADMV1013器件中的LO调零功能,可以大幅降低载波馈通效应,LO馈通消除和边带减小将有助于简化信号链所需的滤波器,在这种设置下,边带降低了-35dBc,载波馈通降低了﹣30dBc,且无需实施额外校准,通过校准还能实现进一步改善。


    再来说说发射链上的EVM性能,发射链的输出连接到商用矢量信号分析仪,再次得出测试矢量宽度为100MHz,5G新无线电FR2波形具备256正交波幅调制。如下图所示,全部频率上的EVM性能非常好,标准EVM限值约为﹣30dBc,图中显示的EVM比标准限值低约15dB,与商用台式信号发生器相比,使用ADF4401A可以获得相同或更好的EVM性能。注意,对于系统的每种配置会有多个浴盆曲线,在较低功率水平下,信号链中的最终放大器被旁路,这有助于使噪声性能优先于线性度性能。随着输出功率提高,将器件配置为线性度性能优先于噪声性能,由此产生的EVM浴盆曲线要宽得多,这证明,通过重新配置系统,可以提高系统级EVM性能。

从这几款核心电子元器件下手,分析如何构建仪表级毫米波发射信号链

    ▼  毫米波发射链核心器件解析


    AD9082:混合信号前端AD9082是一款高度集成的器件,搭载16位、12 GSPS最大采样速率的RF DAC内核,以及12位、6 GSPS采样速率的RF ADC内核,支持4个发射器通道和2个接收器通道,非常适合需要使用宽带ADC和DAC来处理具有宽瞬时带宽的信号的应用。


    ADMV1013:这是一款专门针对点对点微波无线电设计进行优化的宽带微波升频器,其工作射频 (RF) 范围为 24 GHz 至 44 GHz。ADMV1013提供两种频率转换模式,能够从基带同相正交 (I/Q) 输入信号直接转换为 RF,以及从复杂中频 (IF) 输入进行单边带 (SSB) 升频转换。可以禁用基带 I/Q 输入路径,而且可以在 IF 路径中插入 0.8 GHz 至 6.0 GHz 范围内任何频率的复杂调制 IF 信号并将该信号升频转换到 24 GHz 至 44 GHz,同时抑制不需要的边带,抑制幅度通常优于 26 dBc。串行端口接口 (SPI) 允许调整正交相位和混频器栅极电压,以便实现最佳边带抑制和本地振荡器 (LO) 调零。


    ADF4401A:一款10fs抖动、DC至8GHz转换环路,可以实现超低相位噪声和抖动性能,进而实现仪表级性能,完全集成且内置屏蔽体的紧凑器件,可以减少整体的设计尺寸。使用该器件构建的信号链的EVM性能大大优于使用传统基于PLL的LO构建的信号链,此外,与商用台式信号发生器相比,使用ADF4401A可以获得相同或更好的EVM性能。


    HMC635:一款GaAs PHEMT MMIC驱动放大器裸片,工作频率范围为18至40 GHz,提供19.5 dB的增益,+29 dBm输出IP3及+23 dBm的输出功率(1 dB增益压缩时),功耗为280 mA(+5V电源),非常适合作为微波无线电应用的驱动放大器,或用作工作频率范围为18至40 GHz的混频器LO放大器,可提供高达+24 dBm的饱和输出功率(15% PAE)。


    随着科技的发展,越来越多的行业和应用开始使用毫米波的频率,但毫米波测试所需的设备具有极高的性能要求,ADI可提供广泛的器件来构建仪表级毫米波信号链,支持客户为新兴的毫米波市场开发差异化系统。


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