寬帶多通道微波收發(fā)信機(jī)的本振源設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

李健

摘 要：在現(xiàn)代寬帶數(shù)據(jù)用戶不斷提高的過(guò)程中，移動(dòng)通信用戶也在不斷的發(fā)展，如何在一定頻譜資源中使網(wǎng)絡(luò)容量得到提高，并且提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。要想能夠在有限頻譜資源中快速傳輸綜合業(yè)務(wù)內(nèi)容，就要具有較高頻譜效率技術(shù)。MIMO-OFDM技術(shù)能夠使無(wú)線系統(tǒng)容量得到提高，從而實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線多媒體通信。未來(lái)寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)于射頻系統(tǒng)提出了較高的要求，所以就要設(shè)計(jì)穩(wěn)定本振源。

關(guān)鍵詞：寬帶多通道；微波收發(fā)信機(jī)；本振源

中圖分類號(hào)：TN859 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0099-02

Abstract： With the continuous improvement of modern broadband data users， mobile communication users are also constantly developing. How to improve the network capacity and network coverage performance in a certain spectrum resource？ It is a key problem to be considered in the process of modern network construction. In order to transmit the integrated service content quickly in the limited spectrum resources， it is necessary to have a high spectrum efficiency technology. MIMO-OFDM technology can improve the capacity of wireless system， so as to achieve high-speed wireless multimedia communications. The future broadband wireless communication system has posed the higher request to the radio frequency system， therefore we must design the stable local oscillator source.

Keywords： broadband multi-channel； microwave transceiver； local oscillator source

頻率源是雷達(dá)、通信、電子及空間電子設(shè)備的核心，其性能和系統(tǒng)性能指標(biāo)具有密切的關(guān)系。頻率綜合技術(shù)根據(jù)發(fā)展經(jīng)歷劃分成為直接頻率、鎖相間接頻率、直接數(shù)字頻率等幾種。鎖相間接頻率合成是一種廣泛使用的頻率合成技術(shù)。其在地面、艦載、機(jī)載及彈載等檢測(cè)雷達(dá)中都有應(yīng)用，因?yàn)槠淇梢詽M足大部分的雷達(dá)設(shè)備要求的小步進(jìn)、寬頻段的跳頻掃頻性能[1]。首先，高性的鎖相頻率綜合技術(shù)能夠提高寬頻帶范圍中雷達(dá)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。其次，現(xiàn)代寬帶雷達(dá)系統(tǒng)射頻的接收機(jī)使用的超外差結(jié)構(gòu)，要求在寬頻范圍中實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的掃描，并使接收到的射頻信號(hào)下變頻到第一中頻[2]。所以，研究寬帶雷達(dá)設(shè)備頻率源部分的工作屬于第一本振寬帶微波本振源的范疇。

1 寬帶調(diào)頻鎖相

鎖相環(huán)PLL指的是相位比較控制系統(tǒng)，利用對(duì)比VCO輸出頻率和參考頻率的相位使VCO輸出頻率穩(wěn)定性得到提高，并且使相位噪聲降低。這種對(duì)比技術(shù)，可以獲得良好的相位噪聲，而且這種技術(shù)具有較低雜散比、體積及成本。因此，這種鎖相環(huán)技術(shù)可以充分滿足艦載及機(jī)載寬帶跳頻源的要求。

寬帶微波本振源自身的輸出頻率范圍較大，假如利用單一鎖相環(huán)進(jìn)行鎖定，就會(huì)導(dǎo)致環(huán)路鎖定困難。所以，劃分本振源頻率為兩段，分別利用兩個(gè)不同的寬帶VCO產(chǎn)生一定的頻率，然后通過(guò)TTL電平控制選通開(kāi)關(guān)選擇鎖相環(huán)路及輸出頻率，圖1為鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)TTL電平實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路的選擇之后，若出現(xiàn)本振信號(hào)問(wèn)題則屬于單一的鎖相環(huán)鎖定問(wèn)題，其與單鎖相環(huán)問(wèn)題的分析方法相同。單鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)中具備分頻器、VCO及鑒相器等。對(duì)于經(jīng)常使用的數(shù)字鎖相環(huán)也能夠通過(guò)數(shù)字鑒相器集成分頻器，有效實(shí)現(xiàn)參考頻率的預(yù)分頻，以此能夠得出輸出頻率及參考頻率兩者的關(guān)系：

對(duì)于數(shù)字鑒相器鎖相環(huán)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)單片機(jī)輸出控制字來(lái)改變鑒相器的分頻系數(shù)，從而將輸出頻率可變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的作用。

2 頻率源電路設(shè)計(jì)

PLL頻率合成電路使用的器件主要包括頻率合成器、單片機(jī)、參考頻率源、壓控振蕩器及放大器。現(xiàn)在業(yè)內(nèi)有多種性能優(yōu)良PLL頻率合成器芯片，主要生產(chǎn)廠家包括ADI、TI等。這些廠家的器件具有較高的集成度，并且體積小，工作頻率高。對(duì)比各公司頻率合成器，本文使用ADI公司ADF4106芯片，將其作為本課題使用頻率合成器。

ADF4106屬于寬帶電荷泵鎖相環(huán)路芯片，其主要是通過(guò)高精度電荷泵、低噪聲數(shù)字鑒相器及可編程參考分頻器構(gòu)成。工作頻率的范圍為500MHz-6GHz，獨(dú)立電荷泵電源最高的供電為5.5V，工作電壓的范圍為2.7-3.3V。另外，還具有鎖定檢測(cè)功能，并可通過(guò)SPI數(shù)字接口與單片機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制。

收發(fā)本振頻率差別為220MHz，收發(fā)頻率具有較大的間隔，這樣可以有效降低收發(fā)通路的相互干擾。假如外部壓控振蕩器的覆蓋頻率較寬，那么就會(huì)使相位噪聲指標(biāo)惡化。因此本文使用了超低相位噪聲系列壓控振蕩器，并在發(fā)本振及收本振電路中都進(jìn)行了使用，兩種VCO供電電壓為5V，諧波電壓的范圍為0.5V-4.5V。

參考的頻率源使用高穩(wěn)定度的恒溫晶振，其工作頻率為10MHz，頻率的穩(wěn)定度為0.05ppm，供電電壓為+12V，這些指標(biāo)能夠滿足頻率合成器的需求。根據(jù)上述對(duì)主要器件特性的分析，確定使用直接鎖相方式能夠?qū)崿F(xiàn)2.4GHz本振的輸出，利用單片機(jī)控制頻率合成器的R及N寄存器，以改變頻率。

3 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)壓控振蕩器VCO的寬輸入調(diào)頻范圍在0.5V-15V，從而將VCO的有源PLL環(huán)路濾波器工作在低電壓范圍。此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的目的就是將增益級(jí)放置到無(wú)源環(huán)路濾波器中實(shí)現(xiàn)，由運(yùn)算放大器輸入噪聲輸出反饋，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)有源濾波器的整形響應(yīng)功能，并可以有效降低噪聲。軌到軌的跟蹤設(shè)計(jì)是PLL有源濾波器中的重要組成部分，其能夠通過(guò)單運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)主要是通過(guò)在上電前OV即啟動(dòng)電荷泵來(lái)實(shí)現(xiàn)，若使用缺少軌到軌功能的運(yùn)算放大器則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。將運(yùn)算放大器偏置到低電壓中，對(duì)于不匹配的電阻及溫度變化出現(xiàn)的偏執(zhí)電壓內(nèi)置運(yùn)量，可以設(shè)置偏置電平為電荷泵電源的二分之一，不僅能夠使輸入電壓范圍需求得到滿足，而且余量充足，具備最佳的電荷泵雜散性能。

一般環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)帶寬都是選擇為鑒相頻率的十分之一，不能夠超過(guò)五分之一，否則會(huì)導(dǎo)致失鎖的情況出現(xiàn)。在實(shí)際使用中為了保證對(duì)帶外噪聲進(jìn)行有效的抑制，在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般設(shè)計(jì)的寬帶要比鑒相頻率十分之一還低一些。在本設(shè)計(jì)中的鑒相頻率為25MHz，實(shí)際環(huán)路濾波器帶寬設(shè)計(jì)為30KHz，相位的裕度則設(shè)置為45°。利用ADI公司仿真輔助工具進(jìn)行仿真計(jì)算，以得出環(huán)路濾波器的參考設(shè)計(jì)電路。當(dāng)然，最終應(yīng)用時(shí)還要根據(jù)實(shí)測(cè)情況對(duì)參考電路進(jìn)行微調(diào)。

4 功分器電路的設(shè)計(jì)

微波功分器也被稱為功率分配器，指的是使一路輸入微波信號(hào)能量劃分成為兩路或者多路輸出相等或不相等能量的多端口微波網(wǎng)絡(luò)。一般微波功分器主要采用兩種結(jié)構(gòu)方式，分別為微帶線功分器及腔體波導(dǎo)功分器。腔體波導(dǎo)功分器具有較小的差損，并且具有良好的平衡度，但是制作工藝較為復(fù)雜，占用空間比較大，無(wú)法滿足小型化設(shè)計(jì)的需求。微帶線功分器的設(shè)計(jì)制作較為簡(jiǎn)單，體積也比較小，但是其具有較大的插損。

功分器的主要指標(biāo)包括：

（1）分配損耗。分配損耗指的是功分器理論損耗值，也就是微波信號(hào)功率劃分成為多路的時(shí)候，每路的理論損耗值，公式表示為：

Ad=101og（1/N）

其中的N指的是功分級(jí)數(shù)。

（2）插入損耗。插入損耗指的是在傳輸路徑中因?yàn)閭鬏斁€介質(zhì)、端口匹配等不理想因素導(dǎo)致出現(xiàn)微波信號(hào)損耗，功分器損耗為插入損耗及分配損耗的和。

（3）隔離度。隔離度指的是兩個(gè)輸入端口之間的信號(hào)隔離程度。在理想狀態(tài)下，當(dāng)信號(hào)從一個(gè)支路端口輸入功率的時(shí)候只能夠從主路輸入，不能夠從其他的支路輸入，支路之間應(yīng)當(dāng)具備足夠的隔離度。但在實(shí)際中，因?yàn)楦鱾€(gè)輸入輸出端口匹配及傳輸線中信號(hào)串?dāng)_的原因，無(wú)法有效達(dá)成理想的狀態(tài)，但為了保證性能一般的隔離度要求為20dB以上。

為了使信號(hào)相位一致性及幅度一致性得到保證，可以將仿真實(shí)現(xiàn)的二功分器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并且使其對(duì)稱分布，從而創(chuàng)建成為八功分器。

利用ADS軟件生成此仿真結(jié)構(gòu)電路圖，也就是將原理圖中的各個(gè)傳輸線模型轉(zhuǎn)化為PCB板中實(shí)際的微帶線，在PCB板加工后可以通過(guò)實(shí)測(cè)，并修改基板及微帶的參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化，并盡量與仿真出的S參數(shù)相一致。

5 測(cè)試結(jié)果分析

在進(jìn)行本振源測(cè)試的時(shí)候，可根據(jù)先倍頻鏈后本振源的順序進(jìn)行測(cè)試，12GHz倍頻鏈的測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)圖2。12GHz一路成為第一次下變頻射頻輸入之外，另外一路通過(guò)4分頻產(chǎn)生3GHz信號(hào)，3GHz信號(hào)放大之后作為第二次下變頻的本振，另外一路作為鑒相器反饋端的輸入信號(hào)。由于鑒相頻率156.25MHz信號(hào)的相位噪聲與3GHz相位噪聲具有密切的關(guān)系，并且156.25MHz信號(hào)相位噪聲會(huì)對(duì)VCO的輸出相噪造成影響，所以12GHz的相噪會(huì)對(duì)最后輸出的相噪起到?jīng)Q定性的作用。最后的測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)電路不管是相位噪聲還是雜散指標(biāo)，都能夠滿足實(shí)際需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)MIMO-OFDM系統(tǒng)中本振源設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行了分析，本振源輸出要求為高穩(wěn)定度，低相位噪聲的本振信號(hào)。另外，在寬帶多通道微波收發(fā)信號(hào)使用過(guò)程中，本振源實(shí)現(xiàn)了八路同幅度、同相位的本振信號(hào)輸出。以需求指導(dǎo)本振源的設(shè)計(jì)，并對(duì)每部分電路進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)寬帶多通道微波收發(fā)信機(jī)本振源能夠滿足實(shí)際使用需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王俊鵬.33～37GHz寬帶收發(fā)模塊研究[D].電子科技大學(xué)，2016.

[2]王亞濤.用于微波偵聽(tīng)系統(tǒng)的信標(biāo)源及天線設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2017.