寬帶多通道微波收發信機的本振源設計應用分析

李健

摘 要：在現代寬帶數據用戶不斷提高的過程中，移動通信用戶也在不斷的發展，如何在一定頻譜資源中使網絡容量得到提高，并且提高網絡覆蓋性能，是現代網絡建設過程中需要重點考慮的問題。要想能夠在有限頻譜資源中快速傳輸綜合業務內容，就要具有較高頻譜效率技術。MIMO-OFDM技術能夠使無線系統容量得到提高，從而實現高速無線多媒體通信。未來寬帶無線通信系統對于射頻系統提出了較高的要求，所以就要設計穩定本振源。

關鍵詞：寬帶多通道；微波收發信機；本振源

中圖分類號：TN859 文獻標志碼：A 文章編號：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、通信、電子及空間電子設備的核心，其性能和系統性能指標具有密切的關系。頻率綜合技術根據發展經歷劃分成為直接頻率、鎖相間接頻率、直接數字頻率等幾種。鎖相間接頻率合成是一種廣泛使用的頻率合成技術。其在地面、艦載、機載及彈載等檢測雷達中都有應用，因為其可以滿足大部分的雷達設備要求的小步進、寬頻段的跳頻掃頻性能[1]。首先，高性的鎖相頻率綜合技術能夠提高寬頻帶范圍中雷達系統工作的穩定性。其次，現代寬帶雷達系統射頻的接收機使用的超外差結構，要求在寬頻范圍中實現雷達系統的掃描，并使接收到的射頻信號下變頻到第一中頻[2]。所以，研究寬帶雷達設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 寬帶調頻鎖相

鎖相環PLL指的是相位比較控制系統，利用對比VCO輸出頻率和參考頻率的相位使VCO輸出頻率穩定性得到提高，并且使相位噪聲降低。這種對比技術，可以獲得良好的相位噪聲，而且這種技術具有較低雜散比、體積及成本。因此，這種鎖相環技術可以充分滿足艦載及機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進行鎖定，就會導致環路鎖定困難。所以，劃分本振源頻率為兩段，分別利用兩個不同的寬帶VCO產生一定的頻率，然后通過TTL電平控制選通開關選擇鎖相環路及輸出頻率，圖1為鎖相環的結構。通過TTL電平實現鎖相環路的選擇之后，若出現本振信號問題則屬于單一的鎖相環鎖定問題，其與單鎖相環問題的分析方法相同。單鎖相環電路結構中具備分頻器、VCO及鑒相器等。對于經常使用的數字鎖相環也能夠通過數字鑒相器集成分頻器，有效實現參考頻率的預分頻，以此能夠得出輸出頻率及參考頻率兩者的關系：

對于數字鑒相器鎖相環來說，可以通過單片機輸出控制字來改變鑒相器的分頻系數，從而將輸出頻率可變，進而實現調頻的作用。

2 頻率源電路設計

PLL頻率合成電路使用的器件主要包括頻率合成器、單片機、參考頻率源、壓控振蕩器及放大器。現在業內有多種性能優良PLL頻率合成器芯片，主要生產廠家包括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路芯片，其主要是通過高精度電荷泵、低噪聲數字鑒相器及可編程參考分頻器構成。工作頻率的范圍為500MHz-6GHz，獨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，還具有鎖定檢測功能，并可通過SPI數字接口與單片機連接，從而實現單片機控制。

收發本振頻率差別為220MHz，收發頻率具有較大的間隔，這樣可以有效降低收發通路的相互干擾。假如外部壓控振蕩器的覆蓋頻率較寬，那么就會使相位噪聲指標惡化。因此本文使用了超低相位噪聲系列壓控振蕩器，并在發本振及收本振電路中都進行了使用，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定度的恒溫晶振，其工作頻率為10MHz，頻率的穩定度為0.05ppm，供電電壓為+12V，這些指標能夠滿足頻率合成器的需求。根據上述對主要器件特性的分析，確定使用直接鎖相方式能夠實現2.4GHz本振的輸出，利用單片機控制頻率合成器的R及N寄存器，以改變頻率。

3 環路濾波器的設計

本文設計壓控振蕩器VCO的寬輸入調頻范圍在0.5V-15V，從而將VCO的有源PLL環路濾波器工作在低電壓范圍。此結構實現的目的就是將增益級放置到無源環路濾波器中實現，由運算放大器輸入噪聲輸出反饋，這樣能夠實現有源濾波器的整形響應功能，并可以有效降低噪聲。軌到軌的跟蹤設計是PLL有源濾波器中的重要組成部分，其能夠通過單運算放大器電路實現。這種設計主要是通過在上電前OV即啟動電荷泵來實現，若使用缺少軌到軌功能的運算放大器則會出現問題。將運算放大器偏置到低電壓中，對于不匹配的電阻及溫度變化出現的偏執電壓內置運量，可以設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。

一般環路濾波器設計帶寬都是選擇為鑒相頻率的十分之一，不能夠超過五分之一，否則會導致失鎖的情況出現。在實際使用中為了保證對帶外噪聲進行有效的抑制，在設計過程中一般設計的寬帶要比鑒相頻率十分之一還低一些。在本設計中的鑒相頻率為25MHz，實際環路濾波器帶寬設計為30KHz，相位的裕度則設置為45°。利用ADI公司仿真輔助工具進行仿真計算，以得出環路濾波器的參考設計電路。當然，最終應用時還要根據實測情況對參考電路進行微調。

4 功分器電路的設計

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絡。一般微波功分器主要采用兩種結構方式，分別為微帶線功分器及腔體波導功分器。腔體波導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雜，占用空間比較大，無法滿足小型化設計的需求。微帶線功分器的設計制作較為簡單，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，也就是微波信號功率劃分成為多路的時候，每路的理論損耗值，公式表示為：

Ad=101og（1/N）

其中的N指的是功分級數。

（2）插入損耗。插入損耗指的是在傳輸路徑中因為傳輸線介質、端口匹配等不理想因素導致出現微波信號損耗，功分器損耗為插入損耗及分配損耗的和。

（3）隔離度。隔離度指的是兩個輸入端口之間的信號隔離程度。在理想狀態下，當信號從一個支路端口輸入功率的時候只能夠從主路輸入，不能夠從其他的支路輸入，支路之間應當具備足夠的隔離度。但在實際中，因為各個輸入輸出端口匹配及傳輸線中信號串擾的原因，無法有效達成理想的狀態，但為了保證性能一般的隔離度要求為20dB以上。

為了使信號相位一致性及幅度一致性得到保證，可以將仿真實現的二功分器進行級聯，并且使其對稱分布，從而創建成為八功分器。

利用ADS軟件生成此仿真結構電路圖，也就是將原理圖中的各個傳輸線模型轉化為PCB板中實際的微帶線，在PCB板加工后可以通過實測，并修改基板及微帶的參數，進而實現電路的優化，并盡量與仿真出的S參數相一致。

5 測試結果分析

在進行本振源測試的時候，可根據先倍頻鏈后本振源的順序進行測試，12GHz倍頻鏈的測試結果詳見圖2。12GHz一路成為第一次下變頻射頻輸入之外，另外一路通過4分頻產生3GHz信號，3GHz信號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。由于鑒相頻率156.25MHz信號的相位噪聲與3GHz相位噪聲具有密切的關系，并且156.25MHz信號相位噪聲會對VCO的輸出相噪造成影響，所以12GHz的相噪會對最后輸出的相噪起到決定性的作用。最后的測試結果表明，整個電路不管是相位噪聲還是雜散指標，都能夠滿足實際需求。

6 結束語

本文對MIMO-OFDM系統中本振源設計的需求進行了分析，本振源輸出要求為高穩定度，低相位噪聲的本振信號。另外，在寬帶多通道微波收發信號使用過程中，本振源實現了八路同幅度、同相位的本振信號輸出。以需求指導本振源的設計，并對每部分電路進行了分析，最后進行了測試。通過測試結果表明，本文所設計寬帶多通道微波收發信機本振源能夠滿足實際使用需求。

參考文獻：

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

[2]王亞濤.用于微波偵聽系統的信標源及天線設計[D].南京理工大學，2017.