基带I/Q跟踪失配降低射频I/Q调制的边带抑制

基带I/Q跟踪失配降低射频I/Q调制的边带抑制

摘要

DAC和RF调制器之间的迹线失配，包括I和Q路径、差分线IP和IN以及差分线QP和QN，导致I/Q幅度和相位误差，并导致RF调制中的边带抑制（SBS）退化。这项工作研究了这些迹线失配对幅度和相位误差以及对RF调制器SBS的影响，为DAC和RF调制器之间以及PCB布局中的接口设计提供了指导。

1 I/Q幅度和相位误差对边带抑制的影响

在大多数应用中，数模转换器（DAC）通常直接向RF调制器提供基带I/Q信号。图1显示了TI的DAC348x与TRF3705调制器的直接接口，沿I和Q路径的两个低通滤波器（LPF）用于拒绝DAC采样图像。

图1.与TRF3705调制器的DAC348x接口

基带输入包括同相信号（I）和正交相位信号（Q）。I和Q线是差分线。RF调制器相对于正交输入路径表现出对称性。建议PCB布局保持这种对称性，以确保设备的正交平衡不受损害。这种对称性包括I和Q之间、IP和IN之间以及QP和QN之间的对称性。IP和IN之间以及QP和QN之间的迹线应作为差分对进行路由，并且它们的长度都保持相等。这种对称性要求也应适用于I和Q LPF。

事实上，I和Q之间、IP和IN之间以及QP和QN之间总是会有一些不匹配。这些失配导致I/Q相位和振幅误差，这将导致RF调制器输出处的边带抑制退化。通常，失配应保持足够小，以便未调整的SBS小于–40 dBc。

I/Q失配和边带抑制之间的关系可以描述为

其中A是I振幅与Q振幅的电压比，θ是I和Q之间的相位差。图2显示了SBS与振幅和相位的失配。如图2所示，在没有振幅失配（即A=0 dB）的情况下，θ必须小于1.146°才能获得优于–40dBc的SBS，而优于–50dBc的则须小于0.36°，这表明SBS对I/Q相位误差非常敏感。

图2.I/Q调制器的SBS与I/Q幅度和相位失配

2 I和Q通道之间的记录道不匹配

在本节中，我们将分析I和Q通道之间的迹线失配对SBS的影响。让我们设计一条耦合微带线作为FR-4材料PCB上的100Ω差分线，如图3所示。I/Q迹线长度失配不引起幅度失配，而只引起一些相位失配。我们将相位误差表示为

其中ΔL是I（IP和IN具有相同的长度）和Q（QP和QN具有相同长度）之间的迹线长度失配，fBB是基带信号频率，λ是fBB处的差分线波长，C是自由空间中的光速，ε是耦合微带线的有效介电常数。使用安捷伦ADS的Linecalc，εeis计算为2.341。

图3.耦合微带线作为I和Q信号的差分线

将方程2代入方程1，我们在图4中绘制了RF输出处的SBS与基带I/Q迹线失配之间的关系。

图4.SBS与I/Q跟踪长度不匹配

如果对于300 MHz的基带频率，RF调制器处的未调整SBS需要保持在–40 dBc以下，则I和Q路径之间的迹线失配应小于2 mm（78 mils）。

3 IP和IN之间以及QP和QN之间的跟踪不匹配

如果IN或QN的迹线长度比IP或QN长ΔL，则会导致振幅和相位误差。理想差分信号v0（t）和失真差分信号v（t）以及误差Δv（t）

其中，vP0（t）和vN0（t）是理想差分信号，vN（t）是具有ΔL迹线失配的IN或QN的信号。图5显示了差分线迹失配产生的振幅和相位误差。相位误差是理想信号v0（t）和失真信号v（t）之间过零点处的差。

图5.理想和畸变差分信号的幅值与误差信号

基于方程4和方程5，用户可以将由于微分线迹失配引起的振幅和相位误差写入以下方程：

图6和图7是不同基带频率下振幅和相位的曲线图。在500MHz的基带频率下1mm（39密耳）的迹线失配导致0.459度的相位误差和0.00014dB的幅度误差。根据图2，由于差分迹线失配，该相位误差在SBS分级中占主导地位。一旦知道了振幅和相位误差，就应该使用图2找到由差分迹线失配引起的SBS退化。

图6.不同基带频率下由于差分迹线失配引起的幅度误差

图7.不同基带频率下由于差分迹线失配引起的相位误差

根据图2，如果RF调制器处未调整的SBS需要保持在–40 dBc以下，I/Q相位应小于1.146°。这要求对于300MHz的基带频率，差分线路迹线失配小于4mm（156密耳）。比较等式2和等式7，用户可以确定I和Q路径之间的相同迹线失配导致的I/Q相位误差是IP和IN之间或QP和QN之间的差分线迹线失匹配的两倍。

4实验

4.1 Case 1:差分线IP和IN之间的迹线不匹配

这种情况是为了通过实验证明第3节中的结果。图8中的设置将一个相位长度为0.773°、基带频率为20 MHz的适配器插入IP路径。测得的SBS为–49.55 dBc。

图8.在IPPath中插入0.773°线路长度，IF频率=20 MHz时模拟差分线路跟踪不匹配的设置。

4.2 Case 2:I和Q之间的迹线不匹配

这种情况是为了通过实验证明第2节中的结果。图9中的设置将一个相位长度为0.773°、基带频率为20 MHz的适配器插入IP和IN路径。测量的SBS为-43.4 dBc，比Case 1中的SBS差约6 dB。这对应于0.773°/2=0.3865°的相位失配。

请注意，对于0.773°的相位失配，测量的–43.4 dB SBS与计算的–43.42 dB SBS非常接近。

图9.设置模拟I/Q跟踪不匹配，在IP和IN路径中插入0.773°线路长度，IF频率=20 MHz

5 结论

本文研究了I/Q迹线失配对幅度和相位误差以及RF调制器SBS的影响。结果为设计DAC和RF调制器之间的接口以及PCB布局提供了迹线失配对容限，以满足调制SBS规范。多种图形提供了这些关系，便于参考。以下是一些亮点：

•I和Q路径之间的跟踪不匹配只会导致I/Q相位误差。

•差分线IP和IN之间或QP和QN之间的迹线不匹配。造成了幅度和相位误差，但相位误差是降低SBS在RF调制中性能的主要原因。

•I和Q路径之间的相同迹线失配导致的I/Q相位误差是IP和IN之间或QP和QN之间的差分线路迹线失匹配的两倍。