ZHCACH6 march 2023 LMX2820
引言
AFE7950 等現(xiàn)有的射頻 (RF) 采樣收發(fā)器可在高達(dá) X 帶 (12GHz) 的頻率下運(yùn)行。要在整個 K 帶（12GHz 至 40GHz）下運(yùn)行需修改設(shè)計。一種方法是使用直接轉(zhuǎn)換調(diào)制器和解調(diào)器將基帶信號直接與 K 帶頻率進(jìn)行混合。另一種方法是將射頻采樣收發(fā)器用作超外差架構(gòu)中的高頻中頻 (IF) 級，其中 IF 頻率向上或向下混頻至所需的 K 帶。這兩種設(shè)計都需要高頻、低相位噪聲合成器作為混頻器的 LO 源。
圖 1 展示了一個典型的超外差收發(fā)器架構(gòu)，此架構(gòu)使用適合于在 K 帶運(yùn)行的射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出或輸入可在 X 帶頻率范圍內(nèi)運(yùn)行?；祛l級可轉(zhuǎn)換為 K 帶頻率或從 K 帶頻率轉(zhuǎn)換。方程式 1 根據(jù)所需的射頻頻帶和所需的 IF 頻率確定 LO 頻率。
LMX2820 射頻合成器本身支持高達(dá) 22GHz 的運(yùn)行頻率。該范圍直接支持 Ku 頻帶（12GHz 至 18GHz）。為了支持 K 頻帶（18GHz 至 27GHz）和 Ka 頻帶（26.5GHz 至 40GHz），有時需要更高的頻率，具體取決于 IF 頻率選擇。圖 2 展示了在三種不同 IF 頻率下 LO 頻率與射頻頻帶的函數(shù)關(guān)系圖：0Hz (ZIF)、4GHz 和 8GHz。對于要求 LO 超過 LMX2820 22GHz 閾值的 IF 頻率和射頻頻帶頻率組合，級聯(lián)外部倍頻器可充分?jǐn)U展輸出頻率。
圖 1 K 帶超外差收發(fā)器
圖 2 LMX2820 外部倍頻器的閾值頻率規(guī)劃
LMX2820 中的內(nèi)部壓控振蕩器 (VCO) 支持 5.65GHz 至 11.3GHz 的范圍。內(nèi)部分頻器會產(chǎn)生較低的頻率。集成倍頻器可生成高達(dá) 22.6GHz 的更高頻率。外部倍頻器可將頻率擴(kuò)展到 40GHz 以上。
此分析使用 MACOM? XX1000-QT 有源倍頻器。該器件的工作頻率高達(dá) 45GHz，并包含一個輸出放大器，可將信號提高到 10dBm 以上，這足以用作混頻器 LO。
目標(biāo)頻率為 26.4GHz。這對于許多主流的 Ka 頻帶應(yīng)用來說都是理想的選擇。對于該頻率選擇，LM2820 中的基本 VCO 頻率為 6.6GHz。啟用內(nèi)部倍頻器后，輸出頻率為 13.2GHz。該頻率通過外部倍頻器達(dá)到 26.4GHz。
與任何乘法器或倍頻器一樣，基頻不會完全抑制。由于這種方法本質(zhì)上是“乘以 4”運(yùn)算，因此應(yīng)該會觀察到基波和二次諧波的殘留。為了實現(xiàn)出色運(yùn)行，應(yīng)在輸出信號周圍提供一些濾波，以在次諧波感染混頻器之前消除次諧波。
相位噪聲性能
圖 3 展示了設(shè)計設(shè)置方框圖。LMX2820 的參考頻率為 100MHz，由 Rohde SMA100B 信號發(fā)生器生成。內(nèi)部基準(zhǔn)倍頻器可創(chuàng)建 200MHz 的 PFD 頻率。通過 N 分頻器設(shè)置 33，將內(nèi)部 LMX2820 VCO 調(diào)諧至 6.6GHz。
圖 3 測量塊原理圖LMX2820 鎖相環(huán) (PLL) 正確鎖定后，器件會直接輸出頻率，將頻率分頻或?qū)㈩l率提高 2 倍。啟用乘法器后，輸出頻率為 13.2GHz。該頻率注入外部倍頻器以生成 26.4GHz。
圖 4 展示了三種頻率的相位噪聲性能：6.6GHz 時的基頻、13.2GHz 時的內(nèi)部雙倍頻、26.4GHz 時的外部雙倍頻。26.4GHz 時的輸出功率剛剛超過 11dBm，這是混頻器 LO 級別的適當(dāng)范圍。該圖還展示了理想情況下 (20 × log(N)) 乘以 4 的基頻。實際測量值與理想情況一致，但在高頻偏移時本底噪聲僅略有增加。
圖 4 相位噪聲圖次諧波性能
次諧波會使混合操作失真，并在輸出端產(chǎn)生不必要的雜散。表 1 顯示了該設(shè)置的次諧波雜散性能。
| 音調(diào) | 頻率 | 電源 |
|---|---|---|
| 所需音調(diào) | 26.4 GHz | 11.3dBm |
| 1/2 HD | 13.2 GHz | -17dBc |
| 1/4 HD | 6.6 GHz | -58dBc |
半諧波僅為 –17dBc。在所需音調(diào)的高輸出功率下，半諧波絕對功率約為 –6dBm。此級別有時可能足夠高，足以導(dǎo)致問題，需要進(jìn)行一些濾波以消除威脅。四分之一諧波小于 –40dBm；預(yù)計該音調(diào)足夠低，不會引起任何不必要的問題。
次諧波濾波
對于半諧波雜散電平過高的情況，在輸出端引入高通（或帶通）濾波器以抑制信號；但是，在 26GHz 下創(chuàng)建濾波器并非易事。幸好，選擇性要求較低，間距較高，這簡化了濾波器設(shè)計。集總元件濾波器在這些頻率下不切實際，因為元件值小得離譜，并且寄生影響占主導(dǎo)地位?；蛘?，使用分布式開路殘樁線濾波器在 13.2GHz 處對頻率進(jìn)行陷波，并通過 26.4GHz 測試。
基本的濾波器是單個開路殘樁，在次諧波頻率下為四分之一波長。四分之一波殘樁在初級傳輸線路的次諧波頻率處呈現(xiàn)射頻短路，并抑制該頻率。在所需頻率下，殘樁看起來像是傳輸線路上的開路，不會衰減信號。
雖然理想情況下單個殘樁可提供超過 40dB 的選擇性，但有效帶寬較窄。鑒于所需的頻率和次諧波只是單音調(diào)，因此不需要寬帶寬陷波；但是，最好考慮印刷電路板 (PCB) 制造容差和三維輻射效應(yīng)，這些效應(yīng)有時會無意中改變精確的中心頻率。使用由八分之一波傳輸線分開的兩個四分之一波殘樁，可以有效地創(chuàng)建兩個頻率稍有分離的極點(diǎn)，從而提供超過 1GHz 的有效 20dB 下行帶寬。該陷波允許發(fā)生容差變化，同時仍可實現(xiàn) 20dB 或更佳的選擇性。圖 5 顯示了 Keysight ADS 仿真原理圖，其中包含在微帶中實現(xiàn)的兩個殘樁。
圖 5 雙殘樁次諧波 13GHz 陷波濾波器圖 6 展示了精確的仿真濾波器響應(yīng)，還展示了 250 次 Monte Carlo 仿真的最小值和最大值范圍，其中允許布線寬度和殘樁長度變化 ±10%。Monte-Carlo 仿真在包含容差的情況下可實現(xiàn)最小 20dB 的選擇性。此濾波器在 PCB 設(shè)計中很容易實現(xiàn)，無需額外器件，并且占用的電路板面積低于 20 平方毫米。
圖 6 13GHz 次諧波陷波濾波器響應(yīng)總結(jié)
LMX2820 和外部倍頻器適用于要求 LO 源高于 22GHz 的應(yīng)用。此設(shè)計非常適合通信系統(tǒng)、雷達(dá)和電子戰(zhàn) (EW) 設(shè)計以及在 K 和 Ka 頻帶中運(yùn)行的衛(wèi)星地面通信應(yīng)用。相位噪聲性能良好，并根據(jù) LMX2820 的基本 VCO 性能跟蹤 4 倍頻系統(tǒng)的預(yù)期性能。此設(shè)計緊湊，而且可通過編程來滿足各種頻率生成需求。
參考文獻(xiàn)
- 德州儀器 (TI)，LMX2820 具有相位同步功能和 JESD204B 支持的 22.6GHz 寬帶 PLLatinum? 射頻合成器 數(shù)據(jù)表
- 德州儀器 (TI)，AFE7950 適用于 K 帶的超外差解決方案 應(yīng)用手冊
- 德州儀器 (TI)，LMX2820 射頻合成器使用替代拓?fù)涓纳葡辔辉肼?/em> 應(yīng)用手冊