用于多個無線電頻段的可調諧振蕩器設計方案

中國電子科技集團公司第38研究所 謝明月

用于多個無線電頻段的可調諧振蕩器設計方案

中國電子科技集團公司第38研究所 謝明月

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

振蕩器；二階諧振器；設計

一、可調諧振蕩器設計的概述

在無線通信中進行硬件擴展的過程中催生了一種使用可調諧振蕩器的緊湊型無線電設計，它可以覆蓋許多不同的頻帶。然而，可調諧振蕩器通常必須在相位噪聲性能和功耗之間妥協。研制低相位噪聲多頻段壓控振蕩器往往會產生體積大、功耗大的問題。有許多技術可以為多頻段無線電設計提供緊湊的頻率源解決方案，包括在獨立VCO之間切換、使用聯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。

例如，它經常受到開關型諧振器的電阻和電容開關的寄生電路元件的影響。模態開關函數通常用于諧振電路的各種振蕩模式之間的選擇，其選擇是基于開關損耗和非線性不影響諧振腔穩態和相位噪聲性能的事實。然而，這種方法不能同時產生信號，在獲得頻率源的大小、功耗和縮短設計周期方面的作用非常有限。傳統的帶選擇源通常采用多個諧振器、VCO或其他可調諧振蕩器，但任何頻段選擇開關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。與其他多信號產生方法相比，該方法可以降低復雜度、體積和功耗，并具有良好的相位噪聲性能。哪種通信設備能從這種多信號源中受益？無線局域網是最流行的無線應用的家庭和辦公環境，他們通常在不同的頻率從2.4GHz至2.5GHz范圍內工作，特別是工業科學醫療頻段，每個頻段從5.15至5.85ghz。WLAN無線設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計應綜合，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收發器系統的頻率規劃。它產生的信號，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）混頻器產生5GHz的信號，然后經過進一步的劃分，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生雙頻WLAN無線設備所需的信號。你也可以從低頻的信號開始，通過增加倍頻器來產生多個信號。但在使用正交頻率轉換器的情況下，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行最后一級頻率轉換。

圖1 這種頻率規劃將從單個8GHz VCO產生多個WLAN信號

三、多模多頻振蕩器的硬件設計

傳統的單向輸出振蕩器產生周期性波形，基本上是基波頻率加上它的諧波分量。基于高階諧振腔的可調諧振蕩器可以提供多種振蕩模式，可以同時或同時產生多個獨立的頻率。單輸出可調振蕩器是設計多頻帶振蕩器的良好起點。單頻可調諧寬帶振蕩器利用變容二極管調諧二階諧振網絡產生特定頻率的信號。它使用有源器件如雙極晶體管與電感電容諧振調諧電路并聯或串聯。并聯LC諧振網絡具有大的并聯電阻，而串聯LC諧振器網絡提供較小的串聯電阻。這種設計的性能將不可避免地受到晶體管功率，其封裝的電氣性質，以及在很寬的頻率范圍內調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LC網絡和有源器件。產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上提供負電阻值，為此使用高階諧振器。諧振腔的階數取決于所需頻率信號/頻帶的數目。雖然一個簡單的二階諧振網絡只產生一個頻率，四階諧振網絡可以產生兩個并行頻率。

設計這種振蕩器的技術是需要了解支持多個獨立頻帶的負電阻，通過執行網絡分析可以找到這種信息。高階諧振器的振蕩器可以實現多個穩定的振蕩模式并產生多個諧振頻率。適當的非線性有源電路拓撲和必要的諧振器組件值，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諧振蕩器可以在同一時間或同一時間產生兩個不同的頻率，ω1和Ω2。振蕩器可以通過在振蕩器晶體管的基礎上組合兩個不同的值電感器來組裝，例如雙極晶體管，以創建同時保持振蕩所需的條件

四、多頻振蕩器的測試

為了驗證多頻振蕩器概念的有效性，在這里組裝了一個原型來產生兩個同步帶。在雙極晶體管的基礎上，利用兩個平行的二階諧振腔，實現了振蕩器的四階諧振腔。采用該布局設計可以通過標準的集成電路技術制備。它使用的介質諧振腔高階完成多個并發的頻率運行，在兩個不同的頻帶（2.45 ～ 2.65ghz和4.85 ～ 5.25ghz）調諧，與開關振蕩器單獨相比，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。借助商用計算機輔助工程（CAE）軟件，可以利用雙頻振蕩器模擬不同的性能參數，如相位噪聲。通過在調諧電容器上連接的雙極晶體管基極的諧振器網絡，可以合成所需的電感，其原理是為了使調諧電容器能夠提供所需的頻率、發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。給定設計的泄漏取決于電路中后續濾波器的頻譜選擇性和振蕩器的設計要求。

五、結語

四階振蕩器的相位噪聲相當于具有相同有源拓撲的二階振蕩器的相位噪聲和只產生諧振頻率的諧振腔品質因數。然而，與常用的開關諧振振蕩器相比，四階振蕩器在VCO實現中具有更好的相位噪聲性能和/或更高的調諧范圍。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．電子電路設計實驗測試(第二版)[M]．武漢:華中科技大學出版社,2015．

[2]康華光．電子技術基礎模擬部分(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:電子工業出版社,2017．

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