VCO Pulling对于零中频发射机之相位误差的危害

由于现今智能手机要求的 RF功能越来越多，这连带使得零件数目越来越多，且 越来越要求轻薄短小[1]，而零中频架构，由于具备了低成本，低复杂度，以及 高整合度，这使得零中频架构的收发器，在手持装置，越来越受欢迎[2]。但连 带也有一些缺失，其中一项便是所谓的 VCO Pulling，如下图[3-6] : 在零中频架构中，因为主频讯号的频率与 LO相同，所以有可能会泄漏并造成干 扰，而整个发射路径中，最可能的泄漏来源为 PA输出端与天线端，因为 PA输 出端的能量最强，因此会以传导方式干扰，而天线端则是会直接以辐射方式干扰， 使调变精确度下降，导致相位误差，频率误差，以及 EVM都会有所劣化[6]。 1 由于 PA的输入功率范围一向很广，以 RFMD的 RF3225为例，其输入功率范围 为 0 dBm ~ 6 dBm，这 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示收发器的输出功率，即便扣掉 Mismatch Loss与 Insertion Loss，仍符合 PA的输入功率范围，因此一般而言，较少调校此处的匹 配。然而 PA的输入端，其实也是 DA(Driver Amplifier)的 Load-pull，因此这部 分的匹配若没调校好，会使 DA的线性度不够，导致在 PA输入端，发射性能已 经不好，再加上 PA是主要的非线性贡献者，如此便会导致 PA输出端的发射性 能更差[8]。 除此之外，这部分的匹配若没调校好，会因反射而干扰 VCO，导致调变精确度下 降，如下图[6] : 而 PA输入端的匹配电路，其摆放位置需依平台而定，例如若为MTK的MT6252， 则需靠近收发器，但若为高通的WTR1605L，则需靠近 PA[8-9]。 2 由[10]可知，像WCDMA这种会用到振幅调变的讯号，只能用线性 PA作放大， 亦即在升频过程中，是采用所谓的 I/Q Modulation，如下图[11] : I/Q Modulation是直接将数字讯号的I/Q讯号，直接升频成RF讯号，因此容易在 混波过程中，产生带外噪声，若带外噪声被PA放大，进而增加LNA的Noise Floor， 会导致灵敏度变差。换句话说，WCDMA接收端的灵敏度，除了会因Tx Leakage 而劣化[13]，也会因被PA放大的带外噪声而变差[1]。 3 除此之外，因为GPS接收的是-150 dBm以下，极微弱的讯号，因此当WCDMA与 GPS功能同时开启时，被PA放大的带外噪声，有可能会影响到GPS[1] : 因此通常多半会在PA输入端，添加SAW Filter。但在成本与空间的考虑下，越来 越倾向将SAW Filter拿掉[1]，而由[14]得知，若收发器内部设计得宜，即便无SAW Filter，其灵敏度也不会太差。 4 因此在一些电路设计上，会看到以 0奥姆电阻作切换的设计，例如高通的 WTR1605L，在WCDMA的发射端部分，其 SAW Filter会再额外多接一个传输路 径，当 R2615不放组件时，其发射讯号会经过 U2603这颗 SAW Filter，当 R2615 放0奥姆时，其发射讯号并不会经过U2603这颗SAW Filter，而是直接透过R2615 传输过去[15]。 然而有时会遇到的问题是，当 R2615放 0奥姆时，其相位误差与 EVM会变差， 此时可能有人会认为是 SAW Filter的关系，但这是个误解，因为相位误差与 EVM， 都是带内噪声，而 SAW Filter是用来抑制带外噪声，换言之，SAW Filter无法改 善相位误差与 EVM，相反地，若 SAW Filter的 Group Delay过大，会导致信号有 所失真，进而劣化 EVM[1]。 5 因此合理的解释，便是 VCO Pulling，当 R2615不放组件时，其发射讯号会经过 U2603这颗 SAW Filter，此时收发器看出去的 S11很好，不会有讯号反射。 但是当 R2615放 0奥姆时，其发射讯号会直接经过 R2615，由于 Layout走线关 系，导致收发器看出去的 S11不好，讯号反射打到 VCO，使得调变精确度下降， 其相位误差与 EVM变差。故此时应针对 PA输入端的 Matching再作微调，以减 少反射。 6 由下图可知，当 PA输入端的 Matching调校为较收敛的状况时，其 EVM也跟着 改善[1]。 7 然而相较于 PA输入端，由于 PA输出端的能量更强，因此更可能会危害到 VCO， 因此更需特别注意。有可能透过其他邻近的走线，藉由耦合的方式，产生 VCO Pulling。 常见的例子是，在调试过程中，发现相位误差过大，但接收端的 Matching拿掉， 也就是将接收路径断开后，其相位误差便改善，此时可能有人会认为是接收端 Matching的关系，但这是个误解。 8 因为接收端的 Matching，是为了减少接收讯号的 Mismatch Loss，使其灵敏度变 好，并不会影响发射端的相位误差。或是有人怀疑接收讯号干扰发射讯号，因此 将接收路径断开后，便无干扰来源，导致相位误差改善。这也是个误解，因为 GSM是 TDD机制，发射与接收不会同时运作，因此当讯号从发射端发射时，接 收端并无讯号。即便是WCDMA这种 FDD机制，亦即发射与接收会同时运作， 但由于接收讯号远小于发射讯号，其强度不足以干扰发射讯号，反倒是发射讯号 容易干扰接收讯号[2]。 因此合理的解释是，由于 PA输出讯号，耦合到接收路径，流入收发器，进而打 到发射端 VCO，产生 VCO Pulling。 或是打到接收端 VCO，再耦合到发射端 VCO，产生 VCO Pulling[3]。 9 而由[17-19]得知，讯号干扰的机制，会有三要素， 接收路径在这案例中，扮演 Path的角色，因此拿掉接收端的 Matching，等同于 将 Path断开，消除 VCO Pulling，进而改善相位误差。 当然，若接收端有添加 SAW Filter，可以将发射端的讯号挡下来，以[20]为例， 其发射讯号的频率，已经属于带外噪声， 10 因此原则上，接收端有添加 SAW Filter，可以避免该情况发生。但要注意其 SAW Filter的摆放位置，必须离收发器越近愈好，确保发射讯号在进入收发器前，能 被 SAW Filter挡下来。 否则若离收发器过远，则发射讯号一样有机会透过接收路径，窜入收发器，产生 VCO Pulling。 11 但有些收发器的接收端，是属于 SAW-less设计，例如高通的 RTR6285A[21]， 其 GSM部分的接收路径，并无摆放 SAW Filter，故此时接收端的 Matching，其 任务除了改善接收讯号的 Mismatch Loss，同时也负责抑制带外噪声，即抵挡发 射讯号。 当然，如前述的接收端 SAW Filter一样，该接收端 Matching，一样需离收发器 越近愈好，确保发射讯号在进入收发器前，能被挡下来。 否则若离收发器过远，一样会产生 VCO Pulling。 12 除了邻近走线外，其发射讯号也可能会透过 Shielding Cover，产生 VCO Pulling， 若 Shielding Cover与 Shielding Frame接触不是很紧密，即接地不是很好，则耦 合到 Shielding Cover上的发射讯号，并不会通通流到 GND，而是会透过反射， 窜入收发器，导致 VCO Pulling。 此时应该加强 Shielding Cover与 Shielding Frame的接触，使其耦合到 Shielding Cover上的发射讯号，通通流到 GND。 13 以及加强 Shielding Cover与 Housing金属的接触[17-19]。 当然在 Layout时，其 Shielding Frame上的 GND Via要尽可能多打，以便加强 GNDING[21]。 14 而也因为会有 VCO Pulling的问题，因此不论是高通，或是 MTK，都会建议收发 器与 PA要分别放在两个独立的屏蔽框里，也是为了避免 VCO Pulling[6]。 而接收端的 SAW Filter以及 Matching，除了如前述离收发器越近越好，也要放 在收发器的屏蔽框里[22]。 15 另外，在收发器到 ASM的长度不变情况下，尽可能缩短 PA到 ASM的距离，主 要是为了 Insertion Loss与 VCO Pulling的考虑。 由前述可知，由于 PA的输入功率范围一向很广，以 RFMD的 RF3225为例，其 输入功率范围为 0 dBm ~ 6 dBm，这表示收发器的输出功率，即便扣掉 Mismatch Loss与 Insertion Loss，仍符合 PA的输入功率范围，因此即便 PA输入端走线长 一点，Insertion Loss大一点，对于 PA的线性度与最大饱和功率，并无太大差异， 校正时自然会补偿回来。 但是 PA输出端的 Insertion Loss，是无法补偿回来的，若因为走线过长，Insertion Loss多 1 dB，那么最大饱和功率，就是硬生生被扣掉 1 dBm。一般 GSM Low Band 的最大输出功率为 32.5 dBm，若其最大饱和功率只有 33 dBm，表示只 Back-off 了 0.5 dBm，PA线性度不佳，其发射性能可能会劣化。若最大饱和功率只有 32 dBm，连最大输出功率 32.5 dBm都达不到，那这只能改 Layout，无其他解法。 16 再者，若 PA输出端的走线越长，则 PA输出讯号耦合到邻近走线的机会就愈高， 亦即 VCO Pulling的风险就越高。虽然 PA输入端的走线越长，一样会提高 VCO Pulling的风险，但由于 PA输入讯号的强度，远小于 PA输出讯号的强度，以杀 伤力来讲，当然是 PA输出讯号较大。原则上最理想情况是 PA输入端走线，以 及 PA输出端走线，都尽可能短，但若因空间限制，使得 Placement时，收发器 到 ASM的距离就是这么长，在两害相权取一轻的情况下，当然是先缩短 PA输出 走线的长度。 17 另外，有一种情况是，作传导测试时，其相位误差都正常，但作无线测试时，天 线一装上去，其相位误差就变大，部分原因也是来自于 VCO Pulling[23]。当 Shielding Cover与 Shielding Frame的接触不够紧密时，亦即屏蔽效果不好， 则由天线发出的无线发射讯号，会泄漏到收发器的屏蔽框内，造成 VCO Pulling。 而由[17-19]可知，任何金属，若 GNDING不完全，等同于辐射体，因此 Shielding Cover与 Shielding Frame的接触不够紧密时，亦即 GNDING不完全，这时整个 Shielding Can 会宛如一个共振腔结构，把残留在 Shielding Cover的Wireless信 号，辐射出去，打到 VCO。 18 此时可以做实验，把 Shielding Cover拿掉，去做Wireless的测试。若相位误差 变好，就表示是第二种情况，因为 Shielding Cover拿掉，等同于破坏共振腔结 构。反之， 若变更差，那就是第一种情况，因为完全没遮蔽效果。而不管是第 一种或第二种，解决之道都是加强 Shielding Cover的 GNDING，亦即如前述，加 强 Shielding Cover与 Shielding Frame的接触，以及加强 Shielding Cover与 Housing金属的接触[17-19, 23]。如果是第一种，这样可以加强遮蔽效果。如果 是第二种，这样可以把残留在 Shielding Cover的Wireless信号，都流到 GND， 削减其共振腔的辐射强度。 19 Reference [1] 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