用于多个无线电频段的可调谐振荡器设计方案

中国电子科技集团公司第38研究所 谢明月

用于多个无线电频段的可调谐振荡器设计方案

中国电子科技集团公司第38研究所 谢明月

在无线通信中进行硬件扩展的过程中催生了一种使用可调谐振荡器的紧凑型无线电设计，它可以覆盖许多不同的频带。有许多技术可以为多频段无线电设计提供紧凑的频率源解决方案，包括在独立VCO之间切换、使用联动多频电路或在多个谐振器之间切换。

振荡器；二阶谐振器；设计

一、可调谐振荡器设计的概述

在无线通信中进行硬件扩展的过程中催生了一种使用可调谐振荡器的紧凑型无线电设计，它可以覆盖许多不同的频带。然而，可调谐振荡器通常必须在相位噪声性能和功耗之间妥协。研制低相位噪声多频段压控振荡器往往会产生体积大、功耗大的问题。有许多技术可以为多频段无线电设计提供紧凑的频率源解决方案，包括在独立VCO之间切换、使用联动多频电路或在多个谐振器之间切换。但它们不可避免地存在体积大、功耗高或相位噪声性能差的缺点。

例如，它经常受到开关型谐振器的电阻和电容开关的寄生电路元件的影响。模态开关函数通常用于谐振电路的各种振荡模式之间的选择，其选择是基于开关损耗和非线性不影响谐振腔稳态和相位噪声性能的事实。然而，这种方法不能同时产生信号，在获得频率源的大小、功耗和缩短设计周期方面的作用非常有限。传统的带选择源通常采用多个谐振器、VCO或其他可调谐振荡器，但任何频段选择开关都不可避免地会降低这种多频带源的性能。

这个新的振荡器采用高阶多耦合平面谐振器产生不同频带的频率不同。它不需要倍频器，也不需要在谐振器和/或振荡器之间切换。与其他多信号产生方法相比，该方法可以降低复杂度、体积和功耗，并具有良好的相位噪声性能。哪种通信设备能从这种多信号源中受益？无线局域网是最流行的无线应用的家庭和办公环境，他们通常在不同的频率从2.4GHz至2.5GHz范围内工作，特别是工业科学医疗频段，每个频段从5.15至5.85ghz。WLAN无线设备可以在两个频段工作，可以一起工作，可以切换到压控振荡器，虽然更完整的多模射频设计应综合，也可以盖上两波段单信号源基于工作。

二、多模无线电的原理

多模无线电的基本原理是，它只使用一个发送/接收信号处理链来同时处理两个或多个不同频率的信号。图1显示一个双频2.4GHz/5GHz WLAN收发器系统的频率规划。它产生的信号，使用一个单一的8ghz 4GHz VCO频率合成器中两分频器，然后使用四分频获得1GHz信号。这些同步（I）和正交（Q）信号混合在一个正交单边带（SSB）混频器产生5GHz的信号，然后经过进一步的划分，得到一个2.4GHz信号。此方法需要多个缓冲器、分频器和滤波电路来产生双频WLAN无线设备所需的信号。你也可以从低频的信号开始，通过增加倍频器来产生多个信号。但在使用正交频率转换器的情况下，由于在较高频率下处理差分输出的困难，所以很少使用倍频来进行最后一级频率转换。

图1 这种频率规划将从单个8GHz VCO产生多个WLAN信号

三、多模多频振荡器的硬件设计

传统的单向输出振荡器产生周期性波形，基本上是基波频率加上它的谐波分量。基于高阶谐振腔的可调谐振荡器可以提供多种振荡模式，可以同时或同时产生多个独立的频率。单输出可调振荡器是设计多频带振荡器的良好起点。单频可调谐宽带振荡器利用变容二极管调谐二阶谐振网络产生特定频率的信号。它使用有源器件如双极晶体管与电感电容谐振调谐电路并联或串联。并联LC谐振网络具有大的并联电阻，而串联LC谐振器网络提供较小的串联电阻。这种设计的性能将不可避免地受到晶体管功率，其封装的电气性质，以及在很宽的频率范围内调谐振荡器所需的宽范围电容的限制。

多模多频振荡器不仅需要一个简单的并联LC网络和有源器件。产生两个同步频率的振荡器电路必须能够在两个不同的频率点上提供负电阻值，为此使用高阶谐振器。谐振腔的阶数取决于所需频率信号/频带的数目。虽然一个简单的二阶谐振网络只产生一个频率，四阶谐振网络可以产生两个并行频率。

设计这种振荡器的技术是需要了解支持多个独立频带的负电阻，通过执行网络分析可以找到这种信息。高阶谐振器的振荡器可以实现多个稳定的振荡模式并产生多个谐振频率。适当的非线性有源电路拓扑和必要的谐振器组件值，高阶振荡器可以提供一个以上的谐振频率。例如，一个四阶谐振器的可调谐振荡器可以在同一时间或同一时间产生两个不同的频率，ω1和Ω2。振荡器可以通过在振荡器晶体管的基础上组合两个不同的值电感器来组装，例如双极晶体管，以创建同时保持振荡所需的条件

四、多频振荡器的测试

为了验证多频振荡器概念的有效性，在这里组装了一个原型来产生两个同步带。在双极晶体管的基础上，利用两个平行的二阶谐振腔，实现了振荡器的四阶谐振腔。采用该布局设计可以通过标准的集成电路技术制备。它使用的介质谐振腔高阶完成多个并发的频率运行，在两个不同的频带（2.45 ～ 2.65ghz和4.85 ～ 5.25ghz）调谐，与开关振荡器单独相比，功耗和体积明显减少。

直观的感觉是，所需的较低频率的振荡范围的电感值（2.45 ～2.65ghz）比较高、频率模式（4.85 ～ 5.25ghz）大。借助商用计算机辅助工程（CAE）软件，可以利用双频振荡器模拟不同的性能参数，如相位噪声。通过在调谐电容器上连接的双极晶体管基极的谐振器网络，可以合成所需的电感，其原理是为了使调谐电容器能够提供所需的频率、发射极电阻和电抗器的电抗。多模式振荡器中使用的滤波器对于减少泄漏问题非常有用，例如双模振荡振荡器电路。给定设计的泄漏取决于电路中后续滤波器的频谱选择性和振荡器的设计要求。

五、结语

四阶振荡器的相位噪声相当于具有相同有源拓扑的二阶振荡器的相位噪声和只产生谐振频率的谐振腔品质因数。然而，与常用的开关谐振振荡器相比，四阶振荡器在VCO实现中具有更好的相位噪声性能和/或更高的调谐范围。这两个载体范围1mhz在频率源噪声抵消通常比-120dBc/Hz。

[1]谢自美．电子电路设计实验测试(第二版)[M]．武汉:华中科技大学出版社,2015．

[2]康华光．电子技术基础模拟部分(第五版)[M]．北京:高等教育出版社,2016．

[3]曾兴雯．高频电子线路[M]．北京:高等教育出版社,2014．

[4]高吉祥．高频电子线路(第二版)[M]．北京:电子工业出版社,2017．

谢明月（1981－），安徽滁州人，工程师，主要从事雷达接收系统方面的处理研究。