胡一明*① 余國(guó)文② 張?jiān)l(fā)②

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用于正交發(fā)生器RC多相網(wǎng)絡(luò)特性研究

胡一明余國(guó)文張?jiān)l(fā)

(空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì) 武漢 430019)(空軍預(yù)警學(xué)院五系 武漢 430019)

正交信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于正交調(diào)制解調(diào)器、鏡像抑制變頻器等，RC多相網(wǎng)絡(luò)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，良好的線性性能而被作為常用的正交發(fā)生器。該文基于復(fù)信號(hào)性質(zhì)及矩陣?yán)碚?，推?dǎo)了RC多相網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)的詳細(xì)表達(dá)式，構(gòu)建了相關(guān)參數(shù)，分析了RC多相網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)I/Q的平衡特性，為設(shè)計(jì)高平衡度的正交發(fā)生器提供了理論依據(jù)。

正交信號(hào)發(fā)生器；RC多相網(wǎng)絡(luò)；正交信號(hào)；正交調(diào)制；I/Q不平衡度

1 引言

寬帶微型高性能的射頻集成電路(RF Integrated Corporation, RFIC)是射頻電路的發(fā)展趨勢(shì)，其代表之一是實(shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)的芯片化(System on a Chip, SoC)。集成的正交調(diào)制解調(diào)器是射頻SoC的重要組成部分，它需要正交發(fā)生器為其提供良好的正交差分本振信號(hào)，因而正交發(fā)生器性能好壞影響著射頻SoC的性能。

微型集成的正交發(fā)生器在窄頻帶的一種常用設(shè)計(jì)方法是RC-CR移相法，RC-CR移相網(wǎng)絡(luò)通過(guò)將輸入信號(hào)分別移相±45°來(lái)實(shí)現(xiàn)正交。文獻(xiàn)[2]中設(shè)計(jì)的正交發(fā)生器在 900 MHz處，I/Q幅度不平衡度0.35 dB，相位不平衡度達(dá)到了0.1°。另一種設(shè)計(jì)方法是將正交壓控振蕩器(Quadrature Voltage Controlled Oscillator, QVCO)交叉耦合連接，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)低功耗正交差分輸出的QVCO，應(yīng)用于2.4 GHz的鎖相環(huán)，降低了功耗并改善了其噪聲系數(shù)，I/Q相位不平衡度2.21°。此外，RC多相網(wǎng)絡(luò)法也可用作設(shè)計(jì)寬帶高性能的正交發(fā)生器。RC多相網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，線性度高，帶寬可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

本文基于復(fù)信號(hào)性質(zhì)及矩陣分析方法，推導(dǎo)了RC多相網(wǎng)絡(luò)及等效網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣和傳輸函數(shù)，構(gòu)建了相關(guān)參數(shù)，并分析了這些參數(shù)與輸出信號(hào)I/Q平衡之間的關(guān)系，這些結(jié)論在往高階推導(dǎo)時(shí)依舊適用，最后基于理論分析設(shè)計(jì)了一個(gè)3階RC多相網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的正交發(fā)生器，其輸出信號(hào)I/Q幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°。

2 正交信號(hào)發(fā)生器

正交信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達(dá)及通信系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)部分，如圖1所示。

圖1 正交調(diào)制電路結(jié)構(gòu)

調(diào)制輸出表示為：

相加后其輸出信號(hào)如下：

由上面的分析可知，正交發(fā)生器I/Q幅度和相位不平衡將使調(diào)制器產(chǎn)生鏡頻，進(jìn)而影響通信或雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能。因此，需對(duì)正交發(fā)生器的正交特性進(jìn)行研究，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)高平衡度的正交發(fā)生器。下面主要討論基于RC多相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)寬帶高平衡正交發(fā)生器的方法。

3 RC多相網(wǎng)絡(luò)

本文提出的RC多相網(wǎng)絡(luò)是由電阻和電容組成的一個(gè)無(wú)源線性網(wǎng)絡(luò)，其作為正交發(fā)生器時(shí)的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(4)

4 基于RC多相網(wǎng)絡(luò)正交發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)S波段微型高性能的正交調(diào)制器，本文需設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作在S波段，幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°的正交發(fā)生器。

4.1 正交發(fā)生器的設(shè)計(jì)

為便于討論，對(duì)式(4)描述的圖2網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效變換，定義：

圖2 RC多相網(wǎng)絡(luò)

由式(4)和式(5)可以推出該網(wǎng)絡(luò)的傳輸關(guān)系：

將輸入和輸出信號(hào)用復(fù)數(shù)形式表示：

(1) 帶寬擴(kuò)展的設(shè)計(jì)。

若將兩個(gè)RC多相網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，如圖4所示。

(9)

圖3 等效4端口RC多相網(wǎng)絡(luò)

圖4 2階RC多相網(wǎng)絡(luò)

(2) I/Q幅度平衡的設(shè)計(jì)。

此外，若為多階RC多相網(wǎng)絡(luò)，以圖4所示2階網(wǎng)絡(luò)為例，其輸入輸出信號(hào)如圖6所示。

圖5 對(duì)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換

圖6 2階RC多相網(wǎng)絡(luò)輸入輸出關(guān)系

4.2 寬帶高平衡正交發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面的分析，為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)了由3階RC多相網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的正交發(fā)生器，如圖7所示。

圖8所示是正交發(fā)生器輸出I/Q相幅度和相位不平衡度曲線，可見(jiàn)在S波段內(nèi)，其幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°。

5 總結(jié)

本文基于信號(hào)的復(fù)數(shù)表示及矩陣分析方法，分析了RC多相網(wǎng)絡(luò)作為正交信號(hào)發(fā)生器的特性，提出了衡量RC多相網(wǎng)絡(luò)特性指標(biāo)的參數(shù)，分析了這些指標(biāo)參數(shù)與RC多相網(wǎng)絡(luò)I/Q幅度及相位平衡的關(guān)系，最后設(shè)計(jì)了一個(gè)S波段，幅度不平衡小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°的正交發(fā)生器。根據(jù)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特性，該推導(dǎo)結(jié)論及正交發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法在高階RC多相網(wǎng)絡(luò)中依然適用，為設(shè)計(jì)寬帶高平衡度的RC多相網(wǎng)絡(luò)提供了理論指導(dǎo)。

圖7 3階RC多相網(wǎng)絡(luò)

圖8 3階RC正交發(fā)生器I/Q不平衡度曲線

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Research on Characteristics of RC Polyphase Network forQuadrature Signal Generator

Hu Yi-mingYu Guo-wenZhang Yuan-fa

(Department of Graduate Management,Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019, China)(No.5 Department,Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019, China)

The quadrature signal generator is widely used in devices such as the quadrature modulator and image rejection frequency converter. An RC polyphase network is commonly used as a quadrature signal generator because of its simple structure and perfect linear performance. This study derives explicit transfer functions for the RC polyphase network based on the complex signal properties and the matrix theory. Moreover, build-related parameters are determined to analyze the I/Q amplitude and phase balance characteristic of the RC polyphase network, thus providing a theoretical guideline for the design of a high-balance quadrature signal generator.

Quadrature signal generator; RC polyphase network; Quadrature signal; Quadrature modulation; I/Q imbalance

TN957

A

2095-283X(2013)04-0476-05

10.3724/SP.J.1300.2013.13069

2013-07-23收到，2013-10-09改回；2013-10-21網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國(guó)家部委基金資助課題

胡一明 foeh001@163.com

胡一明(1988-)，男，籍貫湖北武漢，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)為空軍預(yù)警學(xué)院信息對(duì)抗系碩士研究生，研究方向?yàn)樯漕l電路，主要成果為小型寬帶射頻收發(fā)端設(shè)計(jì)。

E-mail: foeh001@163.com

余國(guó)文，男，博士，副教授。參與科研項(xiàng)目10多項(xiàng)，多次獲軍隊(duì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)，撰寫(xiě)論文20多篇。目前主要從事通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗等方向的研究。