用于正交發生器RC多相網絡特性研究

胡一明*① 余國文② 張元發②

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用于正交發生器RC多相網絡特性研究

胡一明余國文張元發

(空軍預警學院研究生管理大隊 武漢 430019)(空軍預警學院五系 武漢 430019)

正交信號發生器廣泛應用于正交調制解調器、鏡像抑制變頻器等，RC多相網絡因其結構簡單，良好的線性性能而被作為常用的正交發生器。該文基于復信號性質及矩陣理論，推導了RC多相網絡傳輸函數的詳細表達式，構建了相關參數，分析了RC多相網絡輸出信號I/Q的平衡特性，為設計高平衡度的正交發生器提供了理論依據。

正交信號發生器；RC多相網絡；正交信號；正交調制；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)是射頻電路的發展趨勢，其代表之一是實現射頻系統的芯片化(System on a Chip, SoC)。集成的正交調制解調器是射頻SoC的重要組成部分，它需要正交發生器為其提供良好的正交差分本振信號，因而正交發生器性能好壞影響著射頻SoC的性能。

微型集成的正交發生器在窄頻帶的一種常用設計方法是RC-CR移相法，RC-CR移相網絡通過將輸入信號分別移相±45°來實現正交。文獻[2]中設計的正交發生器在 900 MHz處，I/Q幅度不平衡度0.35 dB，相位不平衡度達到了0.1°。另一種設計方法是將正交壓控振蕩器(Quadrature Voltage Controlled Oscillator, QVCO)交叉耦合連接，文獻[4]設計了一個低功耗正交差分輸出的QVCO，應用于2.4 GHz的鎖相環，降低了功耗并改善了其噪聲系數，I/Q相位不平衡度2.21°。此外，RC多相網絡法也可用作設計寬帶高性能的正交發生器。RC多相網絡具有結構簡單，易于集成，線性度高，帶寬可擴展的優點。

本文基于復信號性質及矩陣分析方法，推導了RC多相網絡及等效網絡的傳輸矩陣和傳輸函數，構建了相關參數，并分析了這些參數與輸出信號I/Q平衡之間的關系，這些結論在往高階推導時依舊適用，最后基于理論分析設計了一個3階RC多相網絡構成的正交發生器，其輸出信號I/Q幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°。

2 正交信號發生器

正交信號發生器廣泛應用于現代雷達及通信系統中調制解調部分，如圖1所示。

圖1 正交調制電路結構

調制輸出表示為：

相加后其輸出信號如下：

由上面的分析可知，正交發生器I/Q幅度和相位不平衡將使調制器產生鏡頻，進而影響通信或雷達系統的工作性能。因此，需對正交發生器的正交特性進行研究，以指導設計高平衡度的正交發生器。下面主要討論基于RC多相網絡設計寬帶高平衡正交發生器的方法。

3 RC多相網絡

本文提出的RC多相網絡是由電阻和電容組成的一個無源線性網絡，其作為正交發生器時的電路結構如圖2所示。

(4)

4 基于RC多相網絡正交發生器的設計與實現

為實現S波段微型高性能的正交調制器，本文需設計實現一個工作在S波段，幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°的正交發生器。

4.1 正交發生器的設計

為便于討論，對式(4)描述的圖2網絡進行等效變換，定義：

圖2 RC多相網絡

由式(4)和式(5)可以推出該網絡的傳輸關系：

將輸入和輸出信號用復數形式表示：

(1) 帶寬擴展的設計。

若將兩個RC多相網絡級聯，如圖4所示。

(9)

圖3 等效4端口RC多相網絡

圖4 2階RC多相網絡

(2) I/Q幅度平衡的設計。

此外，若為多階RC多相網絡，以圖4所示2階網絡為例，其輸入輸出信號如圖6所示。

圖5 對輸入信號的轉換

圖6 2階RC多相網絡輸入輸出關系

4.2 寬帶高平衡正交發生器的實現

根據前面的分析，為滿足設計指標要求，本文設計了由3階RC多相網絡構成的正交發生器，如圖7所示。

圖8所示是正交發生器輸出I/Q相幅度和相位不平衡度曲線，可見在S波段內，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

本文基于信號的復數表示及矩陣分析方法，分析了RC多相網絡作為正交信號發生器的特性，提出了衡量RC多相網絡特性指標的參數，分析了這些指標參數與RC多相網絡I/Q幅度及相位平衡的關系，最后設計了一個S波段，幅度不平衡小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°的正交發生器。根據級聯網絡的特性，該推導結論及正交發生器的設計方法在高階RC多相網絡中依然適用，為設計寬帶高平衡度的RC多相網絡提供了理論指導。

圖7 3階RC多相網絡

圖8 3階RC正交發生器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網絡優先出版

國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，電子科技大學電子工程學院電磁場與無線技術工學學士，現為空軍預警學院信息對抗系碩士研究生，研究方向為射頻電路，主要成果為小型寬帶射頻收發端設計。

E-mail: foeh001@163.com

余國文，男，博士，副教授。參與科研項目10多項，多次獲軍隊科技進步獎，撰寫論文20多篇。目前主要從事通信、雷達和電子對抗等方向的研究。