覆盖多个频段的振荡器的设计 振荡器

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关键词： 振荡器 , 无线通信 , 多频段

振荡器是现代通信中的关键部件。它们必须提供纯净、可靠的信号用于调谐无线电信号，并且可重复调谐，但功耗又不能太高。振荡器设计师现在被要求少花钱多做事，因为有更多的功能和频段正被打包进诸如蜂窝电话和无线局域网(WLAN)设备等电子通信产品。下一代无线通信在理想情况下应具有足够的频率灵活性，以覆盖多个频段和众多通信标准。这一点可以使用多个振荡器实现，其中每个振荡器有它自己的频率调谐范围。 另外一种方法是如同Synergy Microwave公司频率源设计师发明的那样，可以搭建一个单一可重构的并发振荡器(RCO)，其频率将覆盖多个压控振荡器(VCO)。Synergy公司的RCO可以支持多个无线电频段(图1)。与单独的振荡器相比，这些RCO可以提供相当于独立可调谐振荡器的性能，而尺寸和功耗将有显著减小，因而适用于多频段、多模式的无线通信系统。 图1：这种可重构并发振荡器(RCO)可以产生多个信号用于多个无线电频段。 无线通信硬件小型化方面的努力，已经催生出使用可调谐振荡器(如VCO)的紧凑型无线电设计，它们可覆盖许多不同的频段。然而，可调谐振荡器通常要在相位噪声性能和功耗之间进行折衷。试图开发具有低相位噪声的多频段VCO，经常会形成大体积大功耗的电路。有许多技术旨在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之间进行切换、使用联动多频电路或在多个谐振器之间进行切换。但它们不可避免地具有体积大、功耗高或相位噪声性能差的缺点。 举例来说，开关型谐振器就经常受到与开关相关的电阻性与电容性寄生电路元件的影响。通常使用模式切换功能在谐振电路的多种振荡模式之间做出选择，而选择的依据是，使得开关的损耗和非线性不影响谐振器的稳态和相位噪声性能。但这种方法不能并发产生信号，在取得频率源尺寸、功耗和设计周期的缩小方面效果非常有限。传统的频带选择源通常采用多个谐振器、VCO或其它可调谐振荡器，但任何频段选择开关都不可避免地会降低这类多频段源的性能。 在Synergy Microwave公司的新方法中，多频段信号是并发产生的，可根据需要随时提供使用(图2)。这种新的振荡器(图1)使用更高阶的多耦合型平面谐振器(MCPR)为不同频段(和不同应用)同步产生不同的频率。它工作时不需要倍频器，也不需要在谐振器和/或振荡器之间进行切换。与其它多重信号产生方法相比，这种方法可以减少复杂性、尺寸和功耗，并能获得卓越的相位噪声性能(图3)。 图2：当需要多个并发信号时，比如2~4GHz和4~8GHz范围内的信号时，可以使用RCO源方法。 图3：多信号振荡器方法可以在不牺牲相位性能的情况下减小功耗和尺寸。 哪种通信设备可以从这种多信号源中获益呢？无线局域网(WLAN)是家庭和办公室环境中最流行的无线应用，它们一般工作在不同的频段——特别是从2.4GHz至2.5GHz的工业-科学-医疗(ISM)频段以及从5.15GHz至5.85GHz的各个频段。可同时在两个频段内工作的WLAN无线电设备可以与可切换VCO一起工作，虽然更完整集成的多模无线电设计，应该会基于一个能够同时覆盖两个频段的单一信号源(比如RCO)工作。 多模无线电的基本原理是，只使用一个发送/接收信号处理链同时处理两个或更多个不同频率的信号。图4显示了一个双频段、2.4GHz/5GHz WLAN收发器系统的频率规划。它利用频率合成器中带二分频器的单个8GHz VCO产生4GHz信号，接着使用四分频器获得1GHz信号。这些同步(I)和正交(Q)信号在正交单边带(SSB)混频器中混频产生5GHz信号，然后再经过进一步分频得到2.4GHz信号。 图4：这种频率规划将从单个8GHz VCO产生多个WLAN信号。 这种方法需要多个缓冲器、分频器和滤波器电路，才能产生双频段WLAN无线电设备所需的信号。也可以从更低频率的信号着手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，倍频很少用于最后一级频率转换，因为在更高的频率处理差分输出有很大的难度。 传统的单路输出振荡器产生的是周期性波形，这种波形实质上是一个基频加上其谐波信号分量。基于更高阶谐振器的可调谐振荡器可以提供多种振荡模式，并能单独或同时产生多个独立的频率。 单输出可调谐振荡器是设计多频段振荡器的一个良好开端。单频可调谐宽带振荡器利用经过变容二极管调谐的二阶谐振器网络来产生特定频率的信号。它会采用一个有源器件(如双极晶体管)与并联或串联的电感电容(LC)谐振调谐电路相端接。并联LC谐振器网络具有一个较大的并联电阻(或反谐振)，而串联LC谐振器网络提供较小的串联电阻(或谐振)。这种设计的性能将不可避免地受到晶体管能力、其封装的电气特性以及在宽频范围内调谐振荡器所需的电容大范围变化的限制。 多模多频振荡器要求的不只是一个简单的并联LC网络和一个有源器件。可以产生两个并发频率的振荡器电路,必须能够在两个截然不同的频率点同时提供负的电阻值，更高阶的谐振器就是用于这个目的。谐振器的阶数取决于期望的不同频率信号/频段数量。虽然一个简单的二阶谐振器网络只产生一个频率，但一个四阶谐振器网络可以产生两个并发的频率。 设计这种振荡器的技巧，是需要了解支持多个独立频段所需的负电阻值，这方面的信息可以通过执行网络分析找到。这类分析可以形成图1所示的多模多频振荡器设计。专利待批的多频振荡器采用基于超材料的四阶谐振器(图5)。 图5：多频振荡器采用了基于超材料的更高阶谐振器。 带高阶(<2)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。借助合适的非线性有源电路拓扑和必要的谐振器元件值，更高阶振荡器可以提供多于一个的谐振频率。例如，具有四阶谐振器的可调谐振荡器，可以单独或同时产生两个截然不同的频率ω1和ω2(图6)。这种振荡器可以通过在振荡器晶体管(比如双极晶体管)基极综合两个不同值电感组装而成，从而创造同时持续振荡所需的条件。 图6：带四阶谐振器的振荡器可以产生多个同时输出信号。 为了验证多频振荡器概念的有效性，这里组装了一个原型用于产生两个同步频段。通过在双极晶体管的基极使用两个并联二阶谐振器，实现了振荡器的四阶谐振器(图1)。RCO采用的版图设计(图7)，可以用标准集成电路(IC)技术制造。它使用了更高阶的超材料谐振器完成多个并发频率的操作，能横跨两个不同频段(如2.45~2.65GHz和4.85~5.25GHz)调谐，与分开的开关型VCO相比，功耗和尺寸有显著减小。 图7：在双频振荡器原型的制造中使用了这个版图。 直观的感觉是，较低频率振荡范围(2.45~2.65GHz)所需的电感值要比较高频率模式(4.85~5.25GHz)时大。在商用计算机辅助工程(CAE)软件的帮助下，可以对双频振荡器的诸如相位噪声等不同性能参数(图8)进行仿真。通过在双极晶体管基极的谐振器网络上跨接调谐电容，可以综合出要求的电感值，原理是调谐电容可以在感兴趣的工作频段上，提供晶体管发射极所需的负电阻和电抗(电感或电容)。 图8：计算机辅助工程软件工具在仿真双频振荡器设计的性能参数时非常有用，比如这张相位噪声性能图。 多模振荡器中使用的滤波器有利于减轻模泄漏问题，比如振荡器电路振荡在双模的时候。给定设计中的模泄漏量，取决于该部分电路的后续滤波器的频谱选择性以及振荡器的设计要求。 四阶振荡器的相位噪声在只产生其谐振频率之一时，与使用相同有源拓扑和谐振器品质因数(Q)的二阶振荡器的相位噪声相当。 但与常用的开关型谐振振荡器相比，四阶振荡器在VCO实现中有更好的相位噪声性能和/或更高的调谐范围。两种载波范围1MHz频偏处的原型源相位噪声测量值通常都好于-120dBc/Hz(图9)。多频段振荡器只需+5VDC和20mA偏置，并且在两个频段上均能提供+3dBm的典型输出功率。对于多模多频段无线设备而言，这种单一源也许能够匹配许多传统的VCO。 图9：原型源的相位噪声在两种调谐范围1MHz偏移处的测量值通常都好于-120dBc/Hz。 作者：Ulrich L.Rohde博士，Synergy Microwave公司主席