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針對(duì)手機(jī)RF電路設(shè)計(jì)的差分散射參數(shù)測(cè)試方法

 

針對(duì)手機(jī)射頻(RF)電路設(shè)計(jì),本文以對(duì)聲表濾波器的測(cè)試為例探討了以下三個(gè)問(wèn)題:如何用單端矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量差分網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù);差分網(wǎng)絡(luò)到單端網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換時(shí)的共模干擾問(wèn)題;雙端網(wǎng)絡(luò)雙共軛匹配問(wèn)題。

在設(shè)計(jì)手機(jī)的射頻電路時(shí),常會(huì)遇到帶有差分端口的低噪聲放大器、混頻器、聲表濾波器等。圖1是TD-SCDMA手機(jī)射頻接收電路,其中MAX2392的低噪聲放大器輸出是單端的,而MAX2392的混頻器輸入是差分形式的,低噪聲放大器與混頻器之間是一個(gè)單端到差分形式的聲表濾波器和必要的匹配網(wǎng)絡(luò),在設(shè)計(jì)該匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí),需要知道混頻器輸入端差分散射參數(shù)和聲表的散射參數(shù),通常網(wǎng)絡(luò)分析儀都不是差分型的。下面以對(duì)聲表的測(cè)試為例來(lái)說(shuō)明如何測(cè)試差分散射參數(shù)。

物理三端口散射參數(shù)

在設(shè)計(jì)該手機(jī)的射頻電路時(shí),我們選用的是Epcos公司的LH46B聲表面波濾波器,Epcos公司提供了一塊評(píng)估板,如圖2所示,端口1為單端型輸入端口,端口2、3組成差分型輸出端口。在評(píng)估該器件時(shí),先將其視為一般的三端口網(wǎng)絡(luò),用一般的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀很容易測(cè)得其三端口散射參數(shù),具體過(guò)程如下:

1. 端口3接匹配負(fù)載,用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)端口1、2的雙端散射參數(shù),記為SA;


2. 端口2接匹配負(fù)載,用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)端口1、3的雙端散射參數(shù),記為SB;


3. 端口1接匹配負(fù)載,用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)端口2、3的雙端散射參數(shù),記為SC;


4. 物理三端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)ST為等式(1)所示:

一般來(lái)說(shuō),差分端口并不是理想的,通過(guò)研究上面得到的物理三端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)ST會(huì)發(fā)現(xiàn):

理想情況下,端口1加一點(diǎn)頻激勵(lì)信號(hào),在端口2與端口3應(yīng)得到大小相等,相位差180度的信號(hào),也就是說(shuō)在端口2與端口3上得到一個(gè)差分信號(hào),實(shí)際上在端口2與端口3上還存在著大小與相位都相等的信號(hào),即共模信號(hào)。若將差模信號(hào)看作一個(gè)端口,共模信號(hào)看作一個(gè)端口,再加上原來(lái)的端口1,這樣就組成了一個(gè)新的三端口網(wǎng)絡(luò),稱為模式三端口網(wǎng)絡(luò)。

模式三端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)

現(xiàn)在的問(wèn)題是該如何由物理三端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)導(dǎo)出模式三端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)。聲表器件屬于無(wú)源網(wǎng)絡(luò),且不含有各向異性介質(zhì)材料,其散射參數(shù)必然是互易的,就是說(shuō)物理三端口網(wǎng)絡(luò)僅有6個(gè)獨(dú)立參數(shù)。差模與共模信號(hào)只是端口2與端口3信號(hào)的線性組合,所以模式3端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)也必然是互易的,即只有6個(gè)獨(dú)立參數(shù)(E3)。觀察圖3可以看到端口1在兩種散射參數(shù)信號(hào)流圖中未變,故:

SM22是反映有端口1來(lái)激發(fā)出差模信號(hào)能力的參數(shù),根據(jù)差模信號(hào)的定義,它應(yīng)是ST12與ST13的差,考慮到差模端口等效為將端口2與端口3串接起來(lái),故其此時(shí)特征阻抗已是原來(lái)兩倍。假定端口2信號(hào)的相位為差模信號(hào)相位,這樣可以得到:

SM33是反映有端口1來(lái)激發(fā)出共模信號(hào)能力的參數(shù),根據(jù)共模信號(hào)的定義,它應(yīng)是ST12與ST13和的一半,考慮到共模端口等效為將端口2與端口3并接起來(lái),故其此時(shí)特征阻抗已是原來(lái)一半,這樣可以得到:

SM22,SM32分別是反映端口2與端口3在等幅反相信號(hào)激勵(lì)時(shí),在反射波中產(chǎn)生差模分量共模分量能力的一個(gè)量,將物理三端口網(wǎng)絡(luò)的端口1接匹配負(fù)載,端口2加激勵(lì)信號(hào):

端口3加激勵(lì)信號(hào):

這兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)合起來(lái)等效為在差模端口加激勵(lì)信號(hào):

現(xiàn)在分別計(jì)算端口2與端口3反射波中差模與共模信號(hào)成分,它們?cè)跀?shù)值上應(yīng)分別等于SM22,SM32,值分別是等式(4)、(5)所示。

SM33是反映端口2與端口3在等幅同相信號(hào)激勵(lì)時(shí),在反射波中產(chǎn)生共模分量能力的一個(gè)量,將物理三端口網(wǎng)絡(luò)的端口1接匹配負(fù)載,端口2與端口3同時(shí)加激勵(lì)信號(hào):

這兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)合起來(lái)等效為在共模端口加激勵(lì)信號(hào):

現(xiàn)在來(lái)計(jì)算端口2與端口3反射波中共模信號(hào)成分,它在數(shù)值上應(yīng)等于SM33。

其值見(jiàn)等式(6):

綜合等式(2)至等式(6),可以得到完整的模式三端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù),整理后得到等式(7):

需要特別注意的是此處得到的該散射參數(shù)各端口并不是利用統(tǒng)一的特征阻抗作歸一化,假定端口1的特征阻抗為Zo,則端口2(差模信號(hào)端口)為2 Zo,端口3(共模信號(hào)端口)為Zo/2。

共模抑制比

MAX2392是一個(gè)零中頻的射頻接收機(jī),為解決本振信號(hào)的泄漏問(wèn)題,MAXIM 公司采用了差分形式的混頻器,從圖1看到當(dāng)共模形式的本振信號(hào)有混頻器輸入端泄漏出來(lái)時(shí),聲表會(huì)對(duì)此產(chǎn)生抑制(此處回避了匹配網(wǎng)絡(luò)的影響),這兒可以定義共模抑制比如下:

該共模抑制比反映了泄漏到天線端口的本振信號(hào)大小,該共模抑制比越大越好。

研究圖3所示的散射參數(shù)信號(hào)流圖,我們發(fā)現(xiàn)還有另外一種共模到差模的轉(zhuǎn)換形式:

該共模抑制比優(yōu)劣與直流偏移量有關(guān)。本振信號(hào)通過(guò)空間輻射等途徑耦合到LH46B 差分端口應(yīng)是共模信號(hào),該共模信號(hào)經(jīng)LH46B反射后產(chǎn)生的差模信號(hào)會(huì)直接加到混頻器輸入端,從而與本振自混頻產(chǎn)生直流。該共模抑制比越大越好。

差分端口匹配問(wèn)題

通過(guò)將物理三端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為模式三端口網(wǎng)絡(luò),可以非常方便設(shè)計(jì)其輸入輸出匹配電路。一般情況下,共模端口影響較小,在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)認(rèn)為它始終接匹配負(fù)載,這樣原有的三端口網(wǎng)絡(luò)就變成了模式2端口網(wǎng)絡(luò)(端口1與差模端口),利用簡(jiǎn)單的雙端口匹配理論即可解決該問(wèn)題。模式2端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)如下:

為方便敘述,我們稱端口1為源端,端口2為負(fù)載端。一般情況下中頻聲表的匹配電路設(shè)計(jì)都屬于窄帶匹配,也就是說(shuō)只要考慮其中心頻點(diǎn)處匹配就可以了;射頻聲表往往要覆蓋較寬的頻帶,匹配電路相對(duì)復(fù)雜些,所幸的是一般射頻聲表不需做什么匹配。此處MAXIM的混頻器輸入阻抗為200Ω,需要檢驗(yàn)一下EPCOS的聲表平衡端是否為200Ω,等式(11)至(23)將給出最佳源端與負(fù)載端阻抗:

圖4、5是根據(jù)LH46B測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出的最佳源端與負(fù)載端阻抗曲線。

有圖4與圖5可以看到在TD-SCDMA頻段(2,010MHz~2,025MHz)內(nèi),最佳源阻抗與負(fù)載阻抗變化較大,故難以用簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)雙端共軛匹配。觀察最佳負(fù)載端阻抗實(shí)部曲線,發(fā)現(xiàn)其阻抗有頻段低端的220ohm一直變到頻段高端的40ohm,這里取其幾何平均值作為最佳負(fù)載阻抗,而對(duì)于源端不作匹配:

利用SMITH圓圖工具,可得到圖6的匹配電路。

因?yàn)镸AX2392混頻器的輸入阻抗為200ohm,所以此處負(fù)載端特性阻抗取為200ohm。

圖7是作匹配前與匹配后傳輸特性的一個(gè)比較。

圖7中藍(lán)色的曲線是匹配后的仿真結(jié)果,紅色的是未加匹配電路的仿真結(jié)果。匹配改善了帶內(nèi)平坦度,但中心頻點(diǎn)處插損略有變差。

作者:王險(xiǎn)峰
高級(jí)射頻工程師
Maxim公司

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