1 背景

振蕩器設(shè)計(jì)師現(xiàn)在被要求少花錢多做事，因?yàn)橛懈嗟墓δ芎?strong>頻段正被打包進(jìn)諸如蜂窩電話和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)設(shè)備等電子通信產(chǎn)品。下一代無(wú)線通信在理想情況下應(yīng)具有足夠的頻率靈活性，以覆蓋多個(gè)頻段和眾多通信標(biāo)準(zhǔn)。這一點(diǎn)可以使用多個(gè)振蕩器實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)振蕩器有它自己的頻率調(diào)諧范圍。

另外一種方法是如同Synergy Microwave公司頻率源設(shè)計(jì)師發(fā)明的那樣，可以搭建一個(gè)單一可重構(gòu)的并發(fā)振蕩器(RCO)，其頻率將覆蓋多個(gè)壓控振蕩器(VCO)。Synergy公司的RCO可以支持多個(gè)無(wú)線電頻段(圖1)。與單獨(dú)的振蕩器相比，這些RCO可以提供相當(dāng)于獨(dú)立可調(diào)諧振蕩器的性能，而尺寸和功耗將有顯著減小，因而適用于多頻段、多模式的無(wú)線通信系統(tǒng)。

圖1:這種可重構(gòu)并發(fā)振蕩器(RCO)可以產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)用于多個(gè)無(wú)線電頻段

2 可調(diào)諧振蕩器設(shè)計(jì)的概述

無(wú)線通信硬件小型化方面的努力，已經(jīng)催生出使用可調(diào)諧振蕩器(如VCO)的緊湊型無(wú)線電設(shè)計(jì)，它們可覆蓋許多不同的頻段。然而，可調(diào)諧振蕩器通常要在相位噪聲性能和功耗之間進(jìn)行折衷。試圖開發(fā)具有低相位噪聲的多頻段VCO,經(jīng)常會(huì)形成大體積大功耗的電路。有許多技術(shù)旨在為多頻段無(wú)線電設(shè)計(jì)提供緊湊的頻率源解決方案，包括在獨(dú)立VCO之間進(jìn)行切換、使用聯(lián)動(dòng)多頻電路或在多個(gè)諧振器之間進(jìn)行切換。但它們不可避免地具有體積大、功耗高或相位噪聲性能差的缺點(diǎn)。

舉例來(lái)說(shuō)，開關(guān)型諧振器就經(jīng)常受到與開關(guān)相關(guān)的電阻性與電容性寄生電路元件的影響。通常使用模式切換功能在諧振電路的多種振蕩模式之間做出選擇，而選擇的依據(jù)是，使得開關(guān)的損耗和非線性不影響諧振器的穩(wěn)態(tài)和相位噪聲性能。但這種方法不能并發(fā)產(chǎn)生信號(hào)，在取得頻率源尺寸、功耗和設(shè)計(jì)周期的縮小方面效果非常有限。傳統(tǒng)的頻帶選擇源通常采用多個(gè)諧振器、VCO或其它可調(diào)諧振蕩器，但任何頻段選擇開關(guān)都不可避免地會(huì)降低這類多頻段源的性能。

在Synergy Microwave公司的新方法中，多頻段信號(hào)是并發(fā)產(chǎn)生的，可根據(jù)需要隨時(shí)提供使用(圖2)。

圖2:當(dāng)需要多個(gè)并發(fā)信號(hào)時(shí)，比如2.4GHz和4~8GHz范圍內(nèi)的信號(hào)時(shí)，可以使用RCO源方法

這種新的振蕩器(圖1)使用更高階的多耦合型平面諧振器(MCPR)為不同頻段(和不同應(yīng)用)同步產(chǎn)生不同的頻率。它工作時(shí)不需要倍頻器，也不需要在諧振器和/或振蕩器之間進(jìn)行切換。與其它多重信號(hào)產(chǎn)生方法相比，這種方法可以減少?gòu)?fù)雜性、尺寸和功耗，并能獲得卓越的相位噪聲性能(圖3)。

圖3:多信號(hào)振蕩器方法可以在不犧牲相位性能的情況下減小功耗和尺寸

哪種通信設(shè)備可以從這種多信號(hào)源中獲益呢?無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)是家庭和辦公室環(huán)境中最流行的無(wú)線應(yīng)用，它們一般工作在不同的頻段--特別是從2.4GHz至2.5GHz的工業(yè)-科學(xué)-醫(yī)療(ISM)頻段以及從5.15GHz至5.85GHz的各個(gè)頻段。可同時(shí)在兩個(gè)頻段內(nèi)工作的WLAN無(wú)線電設(shè)備可以與可切換VCO一起工作，雖然更完整集成的多模無(wú)線電設(shè)計(jì)，應(yīng)該會(huì)基于一個(gè)能夠同時(shí)覆蓋兩個(gè)頻段的單一信號(hào)源(比如RCO)工作。

3 多模無(wú)線電的原理

多模無(wú)線電的基本原理是，只使用一個(gè)發(fā)送/接收信號(hào)處理鏈同時(shí)處理兩個(gè)或更多個(gè)不同頻率的信號(hào)。圖4顯示了一個(gè)雙頻段、2.4GHz/5GHz WLAN收發(fā)器系統(tǒng)的頻率規(guī)劃。它利用頻率合成器中帶二分頻器的單個(gè)8GHz VCO產(chǎn)生4GHz信號(hào)，接著使用四分頻器獲得1GHz信號(hào)。這些同步(I)和正交(Q)信號(hào)在正交單邊帶(SSB)混頻器中混頻產(chǎn)生5GHz信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分頻得到2.4GHz信號(hào)。

圖4:這種頻率規(guī)劃將從單個(gè)8GHz VCO產(chǎn)生多個(gè)WLAN信號(hào)

這種方法需要多個(gè)緩沖器、分頻器和濾波器電路，才能產(chǎn)生雙頻段WLAN無(wú)線電設(shè)備所需的信號(hào)。也可以從更低頻率的信號(hào)著手通過(guò)增加倍頻器來(lái)產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)。但在使用正交頻率轉(zhuǎn)換器的情況下，倍頻很少用于最后一級(jí)頻率轉(zhuǎn)換，因?yàn)樵诟叩念l率處理差分輸出有很大的難度。

4 多模多頻振蕩器的硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的單路輸出振蕩器產(chǎn)生的是周期性波形，這種波形實(shí)質(zhì)上是一個(gè)基頻加上其諧波信號(hào)分量?；诟唠A諧振器的可調(diào)諧振蕩器可以提供多種振蕩模式，并能單獨(dú)或同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的頻率。

單輸出可調(diào)諧振蕩器是設(shè)計(jì)多頻段振蕩器的一個(gè)良好開端。單頻可調(diào)諧寬帶振蕩器利用經(jīng)過(guò)變?nèi)荻O管調(diào)諧的二階諧振器網(wǎng)絡(luò)來(lái)產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)。它會(huì)采用一個(gè)有源器件(如雙極晶體管)與并聯(lián)或串聯(lián)的電感電容(LC)諧振調(diào)諧電路相端接。并聯(lián)LC諧振器網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)較大的并聯(lián)電阻(或反諧振)，而串聯(lián)LC諧振器網(wǎng)絡(luò)提供較小的串聯(lián)電阻(或諧振)。這種設(shè)計(jì)的性能將不可避免地受到晶體管能力、其封裝的電氣特性以及在寬頻范圍內(nèi)調(diào)諧振蕩器所需的電容大范圍變化的限制。

多模多頻振蕩器要求的不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)有源器件?？梢援a(chǎn)生兩個(gè)并發(fā)頻率的振蕩器電路，必須能夠在兩個(gè)截然不同的頻率點(diǎn)同時(shí)提供負(fù)的電阻值，更高階的諧振器就是用于這個(gè)目的。諧振器的階數(shù)取決于期望的不同頻率信號(hào)/頻段數(shù)量。雖然一個(gè)簡(jiǎn)單的二階諧振器網(wǎng)絡(luò)只產(chǎn)生一個(gè)頻率，但一個(gè)四階諧振器網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生兩個(gè)并發(fā)的頻率。

設(shè)計(jì)這種振蕩器的技巧，是需要了解支持多個(gè)獨(dú)立頻段所需的負(fù)電阻值，這方面的信息可以通過(guò)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析找到。這類分析可以形成圖1所示的多模多頻振蕩器設(shè)計(jì)。專利待批的多頻振蕩器采用基于超材料的四階諧振器(圖5)。

圖5:多頻振蕩器采用了基于超材料的更高階諧振器[!--empirenews.page--]

帶高階(<2)諧振器的振蕩器，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)穩(wěn)定的振蕩模式，并產(chǎn)生多個(gè)諧振頻率。借助合適的非線性有源電路拓?fù)浜捅匾闹C振器元件值，更高階振蕩器可以提供多于一個(gè)的諧振頻率。例如，具有四階諧振器的可調(diào)諧振蕩器，可以單獨(dú)或同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)截然不同的頻率ω1和ω2(圖6)。這種振蕩器可以通過(guò)在振蕩器晶體管(比如雙極晶體管)基極綜合兩個(gè)不同值電感組裝而成，從而創(chuàng)造同時(shí)持續(xù)振蕩所需的條件。

圖6:帶四階諧振器的振蕩器可以產(chǎn)生多個(gè)同時(shí)輸出信號(hào)

5 多頻振蕩器的測(cè)試

為了驗(yàn)證多頻振蕩器概念的有效性，這里組裝了一個(gè)原型用于產(chǎn)生兩個(gè)同步頻段。通過(guò)在雙極晶體管的基極使用兩個(gè)并聯(lián)二階諧振器，實(shí)現(xiàn)了振蕩器的四階諧振器(圖1)。RCO采用的版圖設(shè)計(jì)(圖7)，可以用標(biāo)準(zhǔn)集成電路(IC)技術(shù)制造。它使用了更高階的超材料諧振器完成多個(gè)并發(fā)頻率的操作，能橫跨兩個(gè)不同頻段(如2.45~2.65GHz和4.85~5.25GHz)調(diào)諧，與分開的開關(guān)型VCO相比，功耗和尺寸有顯著減小。

圖7:在雙頻振蕩器原型的制造中使用了這個(gè)版圖

直觀的感覺(jué)是，較低頻率振蕩范圍(2.45~2.65GHz)所需的電感值要比較高頻率模式(4.85~5.25GHz)時(shí)大。在商用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件的幫助下，可以對(duì)雙頻振蕩器的諸如相位噪聲等不同性能參數(shù)(圖8)進(jìn)行仿真。通過(guò)在雙極晶體管基極的諧振器網(wǎng)絡(luò)上跨接調(diào)諧電容，可以綜合出要求的電感值，原理是調(diào)諧電容可以在感興趣的工作頻段上，提供晶體管發(fā)射極所需的負(fù)電阻和電抗(電感或電容)。

圖8:計(jì)算機(jī)輔助工程軟件工具在仿真雙頻振蕩器設(shè)計(jì)的性能參數(shù)時(shí)非常有用，比如這張相位噪聲性能圖

多模振蕩器中使用的濾波器有利于減輕模泄漏問(wèn)題，比如振蕩器電路振蕩在雙模的時(shí)候。給定設(shè)計(jì)中的模泄漏量，取決于該部分電路的后續(xù)濾波器的頻譜選擇性以及振蕩器的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

四階振蕩器的相位噪聲在只產(chǎn)生其諧振頻率之一時(shí)，與使用相同有源拓?fù)浜椭C振器品質(zhì)因數(shù)(Q)的二階振蕩器的相位噪聲相當(dāng)。

但與常用的開關(guān)型諧振振蕩器相比，四階振蕩器在VCO實(shí)現(xiàn)中有更好的相位噪聲性能和/或更高的調(diào)諧范圍。兩種載波范圍1MHz頻偏處的原型源相位噪聲測(cè)量值通常都好于-120dBc/Hz(圖9)。

圖9:原型源的相位噪聲在兩種調(diào)諧范圍1MHz偏移處的測(cè)量值通常都好于-120dBc/Hz

本方案所設(shè)計(jì)的多頻段振蕩器只需+5VDC和20mA偏置，并且在兩個(gè)頻段上均能提供+3dBm的典型輸出功率。對(duì)于多模多頻段無(wú)線設(shè)備而言，這種單一源也許能夠匹配許多傳統(tǒng)的VCO.經(jīng)證實(shí)，本方案設(shè)計(jì)的多頻段振蕩器具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。