在發(fā)送信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中使用差分轉(zhuǎn)單端射頻放大器的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的射頻 (RF) 發(fā)送信號(hào)鏈通常使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 來生成基帶信號(hào)。然后，使用射頻混頻器和本地振蕩器將此信號(hào)上變頻為所需的射頻頻率。射頻 DAC 技術(shù)取得進(jìn)步，現(xiàn)在允許直接以所需的射頻頻率生成信號(hào)，從而顯著簡(jiǎn)化射頻發(fā)送信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)和復(fù)雜性。

高頻射頻 DAC 具有平衡差分輸出，而射頻發(fā)送鏈和天線為單端。過去，射頻工程師使用兩種器件（即無源平衡-非平衡變壓器和中間級(jí)射頻增益塊）來執(zhí)行差分至單端 (D2S) 轉(zhuǎn)換并提高射頻信號(hào)的功率。但是，無源平衡-非平衡變壓器具有多種局限性，包括印刷電路板 (PCB) 尺寸大、插入損耗高、匹配不良、增益以及需要在寬帶寬范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)相位不平衡。此外，射頻無源平衡-非平衡變壓器也無法支持直流或近直流運(yùn)行。

D2S 射頻放大器是一款單片器件，能夠?qū)⒉罘中盘?hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，并在寬帶寬范圍內(nèi)提供增益。本文概述了使用 D2S 射頻放大器相對(duì)于傳統(tǒng)無源平衡-非平衡變壓器和射頻增益塊方法的優(yōu)勢(shì)。

圖 1 展示了用作 DAC 緩沖器和功率放大器 (PA) 前置驅(qū)動(dòng)器的 TRF1108 D2S 射頻放大器。

圖1 簡(jiǎn)化的射頻發(fā)送器信號(hào)鏈，其中顯示了用作DAC緩沖器和PA前置驅(qū)動(dòng)器的TRF1108差分轉(zhuǎn)單端射頻放大器

4mm²封裝內(nèi)的差分至單端轉(zhuǎn)換和增益

在射頻 DAC 輸出端執(zhí)行 D2S 轉(zhuǎn)換的無源平衡-非平衡變壓器通常體積龐大且成本高昂，尤其是在需要寬帶時(shí)。無源平衡-非平衡變壓器的大尺寸增加了 PCB 面積，并導(dǎo)致 PCB 布線較長(zhǎng)，從而限制了射頻性能，尤其是在與多通道射頻 DAC 配合使用時(shí)。此外，寬帶無源平衡-非平衡變壓器還具有高插入損耗，因此需要高性能射頻增益塊來補(bǔ)償信號(hào)功率損耗。

TRF1108 D2S 射頻放大器是一款執(zhí)行 D2S 轉(zhuǎn)換并提供增益的單片器件。D2S 射頻放大器的帶寬涵蓋直流至 12GHz 的范圍，可用于從直流到數(shù)千兆赫茲的寬帶 DAC 緩沖器應(yīng)用。TRF1108 具有僅 2mm x 2mm 的微型 PCB 尺寸，可減小 PCB 面積，從而縮短布線，并提高射頻性能。

圖2所示為TRF1108的2mm x 2mm PCB尺寸，減小了所需的 PCB 面積，從而在 TRF1108 DAC39RF10 評(píng)估模塊上縮短了布線并提高了射頻性能。

圖2 TRF1108 DAC39RF10評(píng)估模塊(TRF1108-DAC39RFEVM)

高密度用例示例

雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)所需的距離、分辨率和天線尺寸選擇工作頻率。具有寬帶寬覆蓋范圍的射頻 DAC 與 D2S 射頻放大器相結(jié)合，只需對(duì)射頻發(fā)送信號(hào)鏈進(jìn)行極小的更改，即可針對(duì)不同頻帶應(yīng)用進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)重用。

將射頻 DAC 和 D2S 射頻放大器相結(jié)合，能夠?yàn)椴捎脭?shù)字波束形成的高密度相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用帶來諸多優(yōu)勢(shì)。在這些應(yīng)用中，多個(gè) DAC 輸出連接到大量天線，每根天線相對(duì)于彼此發(fā)送一個(gè)相移射頻信號(hào)。多通道射頻采樣 DAC 和收發(fā)器在單個(gè)裸片和封裝內(nèi)集成了多個(gè) DAC。這種集成有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、縮小硬件尺寸并降低復(fù)雜性。但是，需要使用一個(gè)小型高性能 D2S 射頻放大器才能有效利用由這些多通道射頻 DAC 實(shí)現(xiàn)的盡可能高的密度。

匹配的輸入和輸出

過去與射頻 DAC 配合使用的寬帶無源平衡-非平衡變壓器很難保持良好的輸入和輸出回波損耗，而且回波損耗也對(duì)輸入和輸出終端阻抗敏感。這種敏感性會(huì)導(dǎo)致相關(guān)射頻頻帶范圍內(nèi)的阻抗變化，從而使發(fā)送的信號(hào)產(chǎn)生不必要的增益變化。TRF1108 的差分輸入具有 100Ω 的阻抗匹配。TRF1108 的單端輸出具有 50Ω 的寬帶匹配，從而改善回波損耗，并在寬射頻帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生非常平坦的通帶響應(yīng)（請(qǐng)參閱圖3）。

圖4突出顯示了TRF1108與射頻DAC結(jié)合使用時(shí)匹配輸入和輸出如何在 100MHz 至 8GHz 范圍內(nèi)產(chǎn)生平坦的通帶響應(yīng)。

圖3 史密斯圓圖上的TRF1108輸入和輸出S參數(shù)

圖4 TRF1108 DAC39RF10在100MHz至8GHz范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)

性能優(yōu)化

寬帶無源射頻平衡-非平衡變壓器具有高插入損耗，因此會(huì)降低射頻 DAC 的最大信號(hào)功率電平。為了補(bǔ)償插入損耗并提高射頻信號(hào)的功率電平，在無源平衡-非平衡變壓器之后需要一個(gè)單端高性能射頻增益塊。單端射頻增益塊的二階非線性性能通常較差，當(dāng)信號(hào)帶寬涵蓋多倍頻程時(shí)，無法濾除產(chǎn)生的失真。此外，寬帶平衡-非平衡變壓器較差的增益和相位不平衡也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的不平衡，從而降低射頻信號(hào)的二階非線性性能。

TRF1108 等 D2S 射頻放大器采用了反饋技術(shù)，有助于提高增益和相位不平衡性能。與單端射頻增益塊相比，輸入的差分特性可改善二階失真。TRF1108 D2S 射頻放大器為多倍頻程射頻發(fā)送應(yīng)用提供了改進(jìn)的二階非線性性能。

結(jié)語

射頻 DAC 的技術(shù)進(jìn)步使得雷達(dá)、軟件定義無線電以及射頻測(cè)試和測(cè)量設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了靈活的寬帶射頻應(yīng)用。通過在多通道 DAC 和射頻采樣收發(fā)器中集成多個(gè)射頻 DAC，簡(jiǎn)化了發(fā)送信號(hào)鏈設(shè)計(jì)，并減少了在多發(fā)送射頻和相控陣應(yīng)用中對(duì)大面積 PCB 的需求。

像 TRF1108 這樣的 D2S 射頻放大器可以提供直流至 12GHz 范圍的射頻信號(hào)帶寬。它們可以補(bǔ)償射頻 DAC 的寬射頻帶寬和性能。TRF1108 是一款單芯片 D2S 射頻放大器，改進(jìn)了傳統(tǒng)無源平衡-非平衡變壓器和射頻增益塊。它的 PCB 面積更小，射頻布線長(zhǎng)度更短，匹配更好，性能更強(qiáng)。因此，可以實(shí)現(xiàn)更高的密度、更好的性能和靈活的射頻發(fā)送設(shè)計(jì)。