K波段直接数字化的高级宽带采样方案 ——扩展射频可能性的边界

引言

在当今这个数字内容、互联网用户和物联网设备大爆炸的世界，人们对扩展通信网络能力的需求越来越高。为了满足这种需要，Teledyne e2v 一直探索数字微波采样的前沿技术，最近已在实验套件上成功验证。它可支持 K 波段的直接数字下变频。这是今年的早些时候在 ESAMTT workshop 提出的使用 EV12DS480 宽带 DAC 实现直接 K 波段综合的工作的后续进展，在技术论文 1 和最近的网络研讨会 2 上有进一步的描述。
 
项目目的

这个项目的目标是实现 24GHz 的模拟前端，支持微波 K 波段（即频率范围 18 到 27GHz）信号能量的直接数字化。目标的无杂散动态范围（SFDR）优于 50 dBc。微波前端板（FEB）的开发和两个现有的 GHz 的高速器件相关，这两个器件由 Teledyne Scientific 和 Teledynee2v 分别开发。测试实验运行在高性能 FEB 上，整合了 12 位宽带数据转换器 EV12AQ600 和超高频双路追踪保持放大器（THA）RTH120。

前者的采样率高达 6.4 Gsps，全功率输入信号带宽高达 6.5 GHz。而追踪保持器的带宽高达 24 GHz，并且拥有优异的线性度性能。因此，通过应用奈奎斯特定理并选择合适的采样频率，这套设备可直接从 K 波段下变频到基带，从而使 ADC 直接采集有用的信号，无需额外的下变频电路。这一方案的指导原则是用途广泛的软件定义微波接收器，它提高了射频系统设计的敏捷度，同时简化了射频信号采集系统的设计，并潜在地降低了功耗。另外，我们也希望通过这个项目，在未来确实降低实际应用的功耗。

器件的核心参数

EV12AQ600 ADC

• 四核 ADC，支持

1、2 或 4 通道工作

• 交织模式的采样率

高达 6.4 Gsps

• 6.5 GHz 输入带宽(-3dB)

• 集成的宽带交叉点开关

• 支持多通道同步的同步链特性

RTH120 THA

• 24 GHz 输入带宽

• 双 THA 使得输出可保持超过

半个时钟周期

• 全差分设计
 
这篇文档描述了研究的状态和最新的发现，并提出了需改进的部分。

我们将进行的一系列测试的目的是找出当今 K 波段（18 到 27GHz）直接下变频技术的不足。从下列初始的无杂散动态范围测试中可以发现三个问题：

• 输入信号功率对 THA 性能的影响

• 当工作在高奈奎斯特域时，低频校准对 ADC 交织性能的影响

• 在高奈奎斯特域采样时，ADC 内部积分非线性（INL)错误的影响

最后，Teledyne e2v 希望这个项目得出的结论对下一代 K 波段产品的设计有一些指导意义。

项目开始

前端板（FEB）的基本框图如图 1 所示。FEB 被设计成包含宽带 ADC 和用作输入级的 THA。仔细观察图 2 的 FEB，会发现它包含了一些额外的支持器件，包括一个功分器、一个移相器和一些巴伦。板子还提供了两路独立的输入：一路绕过 RTH120，优化第一和第二奈奎斯特域采样高达 6GHz 的性能（图中未画出）；另一路用于 6 到 24GHz 的宽带操作。在项目开始时，RTH120 还是一款正在经历优化的试生产产品。

这个实验系统初始的 ADC 默认配置如下：

• 输入带宽 (6.5 GHz)

• 一通道模式，所有四个核心交织成最大采样率（例如
6.4Gsps）

• 采样频率设置成 5Gsps

• 交织校准按照数据手册中标准默认的设置配置，在下文
中都称之为 CalSet0

图 1 - FEB 测试评估设备和关键器件
 

图 2 - 载板上的 FEB 初始样机的照片

第一次动态测试的结果

FEB 的初始测试表现出波动的无杂散动态范围（SFDR）响应（图 3）。在不同的 ADC 信号满刻度范围（SFSR）进行两次独立的扫频。扫频覆盖的信号频率超过 30GHz。图 3 放大了 17GHz 到 25GHz 的范围。

检查初始结果

SFDR 的特性有很大的分析价值，并为未来的动态性能提升提供了参考。从这些结果（图 3）可以看出：

• 低输入信号功率的 SFDR 平坦度更好（图 3 比较
了 -7dBFS 和 -13dBFS 的结果）

• 初始的实验配置难以实现我们预期的 50dBc SFDR 的目
标

提高性能的第一步是找出限制 SFDR 的信号杂散。下图（图 4）标出了输入电平 -7dBFS 和 -13dBFS 时主要的杂散，用 dBFS 表示。

图 3 - 基线 FEB 性能（SFDR 从 17 到 25GHz）
 

 

图 4 - 两种信号功率的基线 FEB 性能
（SFDR 从 17 到 25GHz）

从上图可以看出，对于不同的频率范围和输入幅度，变化的杂散频率分量可以看作 SFDR 波动的原因，请参考图中最大杂散的曲线。图中也标注了二次谐波（H2）和三次谐波（H3）以及采样时钟（Fc/4）的影响。仔细观察，您还会发现：

• 从最大杂散（深色曲线）可以看出，H2 是最主要的影响因素，特别是对于 -7dBFS。

• 如果 H2 可以被改进，下一个影响最大的因素显然是 Fc/4 性能，它对小信号曲线（-13dBFS）的影响很大。但是，对于上面两种信号功率，Fc/4 限制 SFDR 大约在 58dBFS(在 18GHz 到 22GHz 之间）。如果不改进这个问题，很难进一步提高动态性能。Fc/4 的问题表明多个 ADC 核心交织可能产生的一些问题。杂散信号的根源是偏置不匹配。

• 通过优化，-13dBFS 的 SFDR 有可能达到 50 到 60dBc 之
间。

根据产品资料，唯一提升 THA 性能（通过降低 H2）的方法是降低输入信号电平。这对 SFDR 受 H2 限制的场合很有用，例如 -7dBFS 的 SFSR 时 19.5GHz 以下或 21.5GHz 以上的范围。

优化数据转换器的性能

另一方面，ADC 可提供默认工作方式以外的多种自由的配置。初始的测试表明核心交织的精度问题，这并不奇怪。标准的交织校准（ILG）是在工厂的产品测试时完成的。显然，它按照基带工作优化，并不适用于这种大带宽的应用。

ADC 交织的详细测试表明，杂散的最大的来源是偏置不匹配。 我们测量了一系列频率的偏置影响，通过仔细的调整，大幅地降低了 Fc/4 杂散（图 5）。对于 K 波段的应用，21.5GHz 的校准得到了非常好的结果。

校准前和校准后系统的 K 波段性能如图 5 所示。上面的曲线是默认设置（CalSet0）的结果，下面的曲线是改进的高频校准的结果。通过后者的校准，偏置、增益和相位不匹配都得到了补偿。在整个 K 波段，系统的 SFDR 提高了将近 15dB，这是一个巨大的进步。

图 5 - 校准 ILG 的影响 

交织校准之后

对于某些频点，H2 较低而 H3 变成了主导因素，如图 4 中 21GHz 附近的点。在这种情况下，我们需要通过 INL 的校准进一步降低 ADC 的杂散。

图 6 - INL 校准对 H3 的影响

虽然进一步提升性能的选项不多，但显然 ADC 积分非线性（INL）的性能会影响 H3。和交织（ILG）类似，产品测试时的 INL 校准通常是针对基带工作优化的。Teledyne 的测试工程师认为，如果针对高奈奎斯特域重新校准 INL，将进一步改善动态性能。

调整 INL 并不是用户可以通过程序完成的工作，也不应当是。这种调整极具挑战性。从原理上说，提升理想转换器模型的 INL 有可行且有限的方法。工程师需要搭建测试设备以实现这些调整方法。

通过尽可能降低高频 INL，我们把 17 到 25GHz 范围里的 H3 优化了 3 到 5dB（图 6）。

图 7 - 校准前和校准后的 K 波段 SFDR

测试结论

如前所述，这个项目的目的是评估是否可以达到 K 波段的理想的动态采样性能。更确切地说，我们能否在 18 到 22GHz 之间实现最少 50dBc 的性能？尽管我们在测试的前期遇到一些硬件问题，初始的测试结果也不尽如人意，但我们最终通过合理的方法大幅提升了性能。最终的曲线（图 7）展示了目标输入频率范围内的 SFDR 性能。可以看出：

• 在 19.2 到 21.5GHz 之间 SFDR 的显著提升（最多提升了 15 到 18dBc)

• 在 19 到 21.5GHz 之间 SFDR 超过 50dBc

FEB 上来自 20.478GHz 下变频的单音信号的频谱特性如下图所示。

图 8 - 实验板 FEB 的下变频到基带的 20.478GHz 的频谱

这些结果表明：

• 对于 -13dBFS 的输入信号功率，在 20.478GHz 处能达到大约 54dBc 的 SFDR

• Fc/4 和相关的杂散依然是影响采样频谱的主要因素(@-67dBFS)，其他的杂散（Fc/4±Fin, H2 和 H3）降低到小于 -69dBFS

• 我们已经超过预计的目标，即在 19 到 21.75GHz 之间实现最小 50dBc 的 SFDR

未来的展望

上述的结果是从 FEB 样机上得出的，而 FEB 样机有一些已知的缺陷。显然，时钟分配的问题可能降低 THA 的动态性能。我们正在研发一款改进的 FEB，预计提供更好的动态性能，并降低 H2 杂散。另外，这块板子会提供直接的输入并绕过 THA，以优化基带性能。预计在 2020 年，在完成新板子的进一步的测试之后，我们会公布这个实验的后续进展。

这个项目是 Teledyne e2v 迈向整合的 K 波段直接采样方案的第一步。除了提供新的能力，这个项目也帮助我们提升了项目的工程经验。这次的工作使我们深入了解了复杂交织模拟数字转换器核心的高频优化问题，特别是高奈奎斯特域校准的折中方案和 INL、ILG 的优化。Teledyne e2v 也提高了其未来高端宽带数据转换器的性能上限。