用于多個無線電頻段的可調(diào)諧振蕩器設(shè)計(jì)方案

中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 謝明月

用于多個無線電頻段的可調(diào)諧振蕩器設(shè)計(jì)方案

中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所 謝明月

在無線通信中進(jìn)行硬件擴(kuò)展的過程中催生了一種使用可調(diào)諧振蕩器的緊湊型無線電設(shè)計(jì)，它可以覆蓋許多不同的頻帶。有許多技術(shù)可以為多頻段無線電設(shè)計(jì)提供緊湊的頻率源解決方案，包括在獨(dú)立VCO之間切換、使用聯(lián)動多頻電路或在多個諧振器之間切換。

振蕩器；二階諧振器；設(shè)計(jì)

一、可調(diào)諧振蕩器設(shè)計(jì)的概述

在無線通信中進(jìn)行硬件擴(kuò)展的過程中催生了一種使用可調(diào)諧振蕩器的緊湊型無線電設(shè)計(jì)，它可以覆蓋許多不同的頻帶。然而，可調(diào)諧振蕩器通常必須在相位噪聲性能和功耗之間妥協(xié)。研制低相位噪聲多頻段壓控振蕩器往往會產(chǎn)生體積大、功耗大的問題。有許多技術(shù)可以為多頻段無線電設(shè)計(jì)提供緊湊的頻率源解決方案，包括在獨(dú)立VCO之間切換、使用聯(lián)動多頻電路或在多個諧振器之間切換。但它們不可避免地存在體積大、功耗高或相位噪聲性能差的缺點(diǎn)。

例如，它經(jīng)常受到開關(guān)型諧振器的電阻和電容開關(guān)的寄生電路元件的影響。模態(tài)開關(guān)函數(shù)通常用于諧振電路的各種振蕩模式之間的選擇，其選擇是基于開關(guān)損耗和非線性不影響諧振腔穩(wěn)態(tài)和相位噪聲性能的事實(shí)。然而，這種方法不能同時產(chǎn)生信號，在獲得頻率源的大小、功耗和縮短設(shè)計(jì)周期方面的作用非常有限。傳統(tǒng)的帶選擇源通常采用多個諧振器、VCO或其他可調(diào)諧振蕩器，但任何頻段選擇開關(guān)都不可避免地會降低這種多頻帶源的性能。

這個新的振蕩器采用高階多耦合平面諧振器產(chǎn)生不同頻帶的頻率不同。它不需要倍頻器，也不需要在諧振器和/或振蕩器之間切換。與其他多信號產(chǎn)生方法相比，該方法可以降低復(fù)雜度、體積和功耗，并具有良好的相位噪聲性能。哪種通信設(shè)備能從這種多信號源中受益？無線局域網(wǎng)是最流行的無線應(yīng)用的家庭和辦公環(huán)境，他們通常在不同的頻率從2.4GHz至2.5GHz范圍內(nèi)工作，特別是工業(yè)科學(xué)醫(yī)療頻段，每個頻段從5.15至5.85ghz。WLAN無線設(shè)備可以在兩個頻段工作，可以一起工作，可以切換到壓控振蕩器，雖然更完整的多模射頻設(shè)計(jì)應(yīng)綜合，也可以蓋上兩波段單信號源基于工作。

二、多模無線電的原理

多模無線電的基本原理是，它只使用一個發(fā)送/接收信號處理鏈來同時處理兩個或多個不同頻率的信號。圖1顯示一個雙頻2.4GHz/5GHz WLAN收發(fā)器系統(tǒng)的頻率規(guī)劃。它產(chǎn)生的信號，使用一個單一的8ghz 4GHz VCO頻率合成器中兩分頻器，然后使用四分頻獲得1GHz信號。這些同步（I）和正交（Q）信號混合在一個正交單邊帶（SSB）混頻器產(chǎn)生5GHz的信號，然后經(jīng)過進(jìn)一步的劃分，得到一個2.4GHz信號。此方法需要多個緩沖器、分頻器和濾波電路來產(chǎn)生雙頻WLAN無線設(shè)備所需的信號。你也可以從低頻的信號開始，通過增加倍頻器來產(chǎn)生多個信號。但在使用正交頻率轉(zhuǎn)換器的情況下，由于在較高頻率下處理差分輸出的困難，所以很少使用倍頻來進(jìn)行最后一級頻率轉(zhuǎn)換。

圖1 這種頻率規(guī)劃將從單個8GHz VCO產(chǎn)生多個WLAN信號

三、多模多頻振蕩器的硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的單向輸出振蕩器產(chǎn)生周期性波形，基本上是基波頻率加上它的諧波分量?；诟唠A諧振腔的可調(diào)諧振蕩器可以提供多種振蕩模式，可以同時或同時產(chǎn)生多個獨(dú)立的頻率。單輸出可調(diào)振蕩器是設(shè)計(jì)多頻帶振蕩器的良好起點(diǎn)。單頻可調(diào)諧寬帶振蕩器利用變?nèi)荻O管調(diào)諧二階諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生特定頻率的信號。它使用有源器件如雙極晶體管與電感電容諧振調(diào)諧電路并聯(lián)或串聯(lián)。并聯(lián)LC諧振網(wǎng)絡(luò)具有大的并聯(lián)電阻，而串聯(lián)LC諧振器網(wǎng)絡(luò)提供較小的串聯(lián)電阻。這種設(shè)計(jì)的性能將不可避免地受到晶體管功率，其封裝的電氣性質(zhì)，以及在很寬的頻率范圍內(nèi)調(diào)諧振蕩器所需的寬范圍電容的限制。

多模多頻振蕩器不僅需要一個簡單的并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)和有源器件。產(chǎn)生兩個同步頻率的振蕩器電路必須能夠在兩個不同的頻率點(diǎn)上提供負(fù)電阻值，為此使用高階諧振器。諧振腔的階數(shù)取決于所需頻率信號/頻帶的數(shù)目。雖然一個簡單的二階諧振網(wǎng)絡(luò)只產(chǎn)生一個頻率，四階諧振網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生兩個并行頻率。

設(shè)計(jì)這種振蕩器的技術(shù)是需要了解支持多個獨(dú)立頻帶的負(fù)電阻，通過執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析可以找到這種信息。高階諧振器的振蕩器可以實(shí)現(xiàn)多個穩(wěn)定的振蕩模式并產(chǎn)生多個諧振頻率。適當(dāng)?shù)姆蔷€性有源電路拓?fù)浜捅匾闹C振器組件值，高階振蕩器可以提供一個以上的諧振頻率。例如，一個四階諧振器的可調(diào)諧振蕩器可以在同一時間或同一時間產(chǎn)生兩個不同的頻率，ω1和Ω2。振蕩器可以通過在振蕩器晶體管的基礎(chǔ)上組合兩個不同的值電感器來組裝，例如雙極晶體管，以創(chuàng)建同時保持振蕩所需的條件

四、多頻振蕩器的測試

為了驗(yàn)證多頻振蕩器概念的有效性，在這里組裝了一個原型來產(chǎn)生兩個同步帶。在雙極晶體管的基礎(chǔ)上，利用兩個平行的二階諧振腔，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的四階諧振腔。采用該布局設(shè)計(jì)可以通過標(biāo)準(zhǔn)的集成電路技術(shù)制備。它使用的介質(zhì)諧振腔高階完成多個并發(fā)的頻率運(yùn)行，在兩個不同的頻帶（2.45 ～ 2.65ghz和4.85 ～ 5.25ghz）調(diào)諧，與開關(guān)振蕩器單獨(dú)相比，功耗和體積明顯減少。

直觀的感覺是，所需的較低頻率的振蕩范圍的電感值（2.45 ～2.65ghz）比較高、頻率模式（4.85 ～ 5.25ghz）大。借助商用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，可以利用雙頻振蕩器模擬不同的性能參數(shù)，如相位噪聲。通過在調(diào)諧電容器上連接的雙極晶體管基極的諧振器網(wǎng)絡(luò)，可以合成所需的電感，其原理是為了使調(diào)諧電容器能夠提供所需的頻率、發(fā)射極電阻和電抗器的電抗。多模式振蕩器中使用的濾波器對于減少泄漏問題非常有用，例如雙模振蕩振蕩器電路。給定設(shè)計(jì)的泄漏取決于電路中后續(xù)濾波器的頻譜選擇性和振蕩器的設(shè)計(jì)要求。

五、結(jié)語

四階振蕩器的相位噪聲相當(dāng)于具有相同有源拓?fù)涞亩A振蕩器的相位噪聲和只產(chǎn)生諧振頻率的諧振腔品質(zhì)因數(shù)。然而，與常用的開關(guān)諧振振蕩器相比，四階振蕩器在VCO實(shí)現(xiàn)中具有更好的相位噪聲性能和/或更高的調(diào)諧范圍。這兩個載體范圍1mhz在頻率源噪聲抵消通常比-120dBc/Hz。

[1]謝自美．電子電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試(第二版)[M]．武漢:華中科技大學(xué)出版社,2015．

[2]康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第五版)[M]．北京:高等教育出版社,2016．

[3]曾興雯．高頻電子線路[M]．北京:高等教育出版社,2014．

[4]高吉祥．高頻電子線路(第二版)[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2017．

謝明月（1981－），安徽滁州人，工程師，主要從事雷達(dá)接收系統(tǒng)方面的處理研究。