用于正交发生器RC多相网络特性研究

胡一明*① 余国文② 张元发②



用于正交发生器RC多相网络特性研究

胡一明余国文张元发

(空军预警学院研究生管理大队 武汉 430019)(空军预警学院五系 武汉 430019)

正交信号发生器广泛应用于正交调制解调器、镜像抑制变频器等，RC多相网络因其结构简单，良好的线性性能而被作为常用的正交发生器。该文基于复信号性质及矩阵理论，推导了RC多相网络传输函数的详细表达式，构建了相关参数，分析了RC多相网络输出信号I/Q的平衡特性，为设计高平衡度的正交发生器提供了理论依据。

正交信号发生器；RC多相网络；正交信号；正交调制；I/Q不平衡度

1 引言

宽带微型高性能的射频集成电路(RF Integrated Corporation, RFIC)是射频电路的发展趋势，其代表之一是实现射频系统的芯片化(System on a Chip, SoC)。集成的正交调制解调器是射频SoC的重要组成部分，它需要正交发生器为其提供良好的正交差分本振信号，因而正交发生器性能好坏影响着射频SoC的性能。

微型集成的正交发生器在窄频带的一种常用设计方法是RC-CR移相法，RC-CR移相网络通过将输入信号分别移相±45°来实现正交。文献[2]中设计的正交发生器在 900 MHz处，I/Q幅度不平衡度0.35 dB，相位不平衡度达到了0.1°。另一种设计方法是将正交压控振荡器(Quadrature Voltage Controlled Oscillator, QVCO)交叉耦合连接，文献[4]设计了一个低功耗正交差分输出的QVCO，应用于2.4 GHz的锁相环，降低了功耗并改善了其噪声系数，I/Q相位不平衡度2.21°。此外，RC多相网络法也可用作设计宽带高性能的正交发生器。RC多相网络具有结构简单，易于集成，线性度高，带宽可扩展的优点。

本文基于复信号性质及矩阵分析方法，推导了RC多相网络及等效网络的传输矩阵和传输函数，构建了相关参数，并分析了这些参数与输出信号I/Q平衡之间的关系，这些结论在往高阶推导时依旧适用，最后基于理论分析设计了一个3阶RC多相网络构成的正交发生器，其输出信号I/Q幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°。

2 正交信号发生器

正交信号发生器广泛应用于现代雷达及通信系统中调制解调部分，如图1所示。

图1 正交调制电路结构

调制输出表示为：

相加后其输出信号如下：

由上面的分析可知，正交发生器I/Q幅度和相位不平衡将使调制器产生镜频，进而影响通信或雷达系统的工作性能。因此，需对正交发生器的正交特性进行研究，以指导设计高平衡度的正交发生器。下面主要讨论基于RC多相网络设计宽带高平衡正交发生器的方法。

3 RC多相网络

本文提出的RC多相网络是由电阻和电容组成的一个无源线性网络，其作为正交发生器时的电路结构如图2所示。

(4)

4 基于RC多相网络正交发生器的设计与实现

为实现S波段微型高性能的正交调制器，本文需设计实现一个工作在S波段，幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°的正交发生器。

4.1 正交发生器的设计

为便于讨论，对式(4)描述的图2网络进行等效变换，定义：

图2 RC多相网络

由式(4)和式(5)可以推出该网络的传输关系：

将输入和输出信号用复数形式表示：

(1) 带宽扩展的设计。

若将两个RC多相网络级联，如图4所示。

(9)

图3 等效4端口RC多相网络

图4 2阶RC多相网络

(2) I/Q幅度平衡的设计。

此外，若为多阶RC多相网络，以图4所示2阶网络为例，其输入输出信号如图6所示。

图5 对输入信号的转换

图6 2阶RC多相网络输入输出关系

4.2 宽带高平衡正交发生器的实现

根据前面的分析，为满足设计指标要求，本文设计了由3阶RC多相网络构成的正交发生器，如图7所示。

图8所示是正交发生器输出I/Q相幅度和相位不平衡度曲线，可见在S波段内，其幅度不平衡度小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°。

5 总结

本文基于信号的复数表示及矩阵分析方法，分析了RC多相网络作为正交信号发生器的特性，提出了衡量RC多相网络特性指标的参数，分析了这些指标参数与RC多相网络I/Q幅度及相位平衡的关系，最后设计了一个S波段，幅度不平衡小于0.1 dB，相位不平衡度小于0.1°的正交发生器。根据级联网络的特性，该推导结论及正交发生器的设计方法在高阶RC多相网络中依然适用，为设计宽带高平衡度的RC多相网络提供了理论指导。

图7 3阶RC多相网络

图8 3阶RC正交发生器I/Q不平衡度曲线

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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网络优先出版

国家部委基金资助课题

胡一明 foeh001@163.com

胡一明(1988-)，男，籍贯湖北武汉，电子科技大学电子工程学院电磁场与无线技术工学学士，现为空军预警学院信息对抗系硕士研究生，研究方向为射频电路，主要成果为小型宽带射频收发端设计。

E-mail: foeh001@163.com

余国文，男，博士，副教授。参与科研项目10多项，多次获军队科技进步奖，撰写论文20多篇。目前主要从事通信、雷达和电子对抗等方向的研究。