搜索
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VCOPulling，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0dBm~6dBm，这表示收发器的输出功率，即便扣掉MismatchLoss与InsertionLoss，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(DriverAmplifier)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/QModulation，如下图[11]:I/QModulation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NoiseFloor，会导致灵敏度变差。换句话说，WCDMA接收端的灵敏度，除了会因TxLeakage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-150dBm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SAWFilter。但在成本与空间的考虑下，越来越倾向将SAWFilter拿掉[1]，而由[14]得知，若收发器内部设计得宜，即便无SAWFilter，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SAWFilter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SAWFilter，当R2615放0奥姆时，其发射讯号并不会经过U2603这颗SAWFilter，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SAWFilter的关系，但这是个误解，因为相位误差与EVM，都是带内噪声，而SAWFilter是用来抑制带外噪声，换言之，SAWFilter无法改善相位误差与EVM，相反地，若SAWFilter的GroupDelay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VCOPulling，当R2615不放组件时，其发射讯号会经过U2603这颗SAWFilter，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VCOPulling。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MismatchLoss，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VCOPulling。或是打到接收端VCO，再耦合到发射端VCO，产生VCOPulling[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VCOPulling，进而改善相位误差。当然，若接收端有添加SAWFilter，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SAWFilter，可以避免该情况发生。但要注意其SAWFilter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SAWFilter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VCOPulling。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SAWFilter，故此时接收端的Matching，其任务除了改善接收讯号的MismatchLoss，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SAWFilter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VCOPulling。12除了邻近走线外，其发射讯号也可能会透过ShieldingCover，产生VCOPulling，若ShieldingCover与ShieldingFrame接触不是很紧密，即接地不是很好，则耦合到ShieldingCover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VCOPulling。此时应该加强ShieldingCover与ShieldingFrame的接触，使其耦合到ShieldingCover上的发射讯号，通通流到GND。13以及加强ShieldingCover与Housing金属的接触[17-19]。当然在Layout时，其ShieldingFrame上的GNDVia要尽可能多打，以便加强GNDING[21]。14而也因为会有VCOPulling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VCOPulling[6]。而接收端的SAWFilter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InsertionLoss与VCOPulling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0dBm~6dBm，这表示收发器的输出功率，即便扣掉MismatchLoss与InsertionLoss，仍符合PA的输入功率范围，因此即便PA输入端走线长一点，InsertionLoss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InsertionLoss，是无法补偿回来的，若因为走线过长，InsertionLoss多1dB，那么最大饱和功率，就是硬生生被扣掉1dBm。一般GSMLowBand的最大输出功率为32.5dBm，若其最大饱和功率只有33dBm，表示只Back-off了0.5dBm，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32dBm，连最大输出功率32.5dBm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VCOPulling的风险就越高。虽然PA输入端的走线越长，一样会提高VCOPulling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VCOPulling[23]。当ShieldingCover与ShieldingFrame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VCOPulling。而由[17-19]可知，任何金属，若GNDING不完全，等同于辐射体，因此ShieldingCover与ShieldingFrame的接触不够紧密时，亦即GNDING不完全，这时整个ShieldingCan会宛如一个共振腔结构，把残留在ShieldingCover的Wireless信号，辐射出去，打到VCO。18此时可以做实验，把ShieldingCover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ShieldingCover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ShieldingCover的GNDING，亦即如前述，加强ShieldingCover与ShieldingFrame的接触，以及加强ShieldingCover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ShieldingCover的Wireless信号，都流到GND，削减其共振腔的辐射强度。19Reference[1]WCDMA零中频发射机(TX)之调校指南与原理剖析,百度文库[2]WCDMA之TxLeakage对于零中频接收机之危害,百度文库[3]AStudyofInjectionLockingandPullinginOscillators,IEEE[4]ASingle-ChipDigitallyCalibrated5.15–5.825-GHz0.18-mCMOSTransceiverfor802.11aWirelessLAN,IEEE[5]RecentDevelopmentsinHighIntegrationMulti-StandardCMOSTransceiversforPersonalCommunicationSystems,IEEE[6]GSM之调制与开关频谱(ORFS)解析与调校大全,百度文库[7]PassiveImpedanceMatching___实战大全,百度文库[8]MT62524LPCBApplicationNote,MTK[9]MSM8960CHIPSETTRAINING-MIGRATIONFROMRTR860XTOWTR1605(L),Qualcomm[10]关于GSM和WCDMA