用于多個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻段的可調諧振蕩器設計方案

1背景

振蕩器設計師現在被要求少花錢(qián)多做事，因為有更多的功能和頻段正被打包進(jìn)諸如蜂窩電話(huà)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）設備等電子通信產(chǎn)品。下一代無(wú)線(xiàn)通信在理想情況下應具有足夠的頻率靈活性，以覆蓋多個(gè)頻段和眾多通信標準。這一點(diǎn)可以使用多個(gè)振蕩器實(shí)現，其中每個(gè)振蕩器有它自己的頻率調諧范圍。

另外一種方法是如同Synergy Microwave公司頻率源設計師發(fā)明的那樣，可以搭建一個(gè)單一可重構的并發(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(xiàn)電頻段（圖1）。與單獨的振蕩器相比，這些RCO可以提供相當于獨立可調諧振蕩器的性能，而尺寸和功耗將有顯著(zhù)減小，因而適用于多頻段、多模式的無(wú)線(xiàn)通信系統。


圖1：這種可重構并發(fā)振蕩器（RCO）可以產(chǎn)生多個(gè)信號用于多個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻段

2可調諧振蕩器設計的概述

無(wú)線(xiàn)通信硬件小型化方面的努力，已經(jīng)催生出使用可調諧振蕩器（如VCO）的緊湊型無(wú)線(xiàn)電設計，它們可覆蓋許多不同的頻段。然而，可調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(kāi)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(xiàn)電設計提供緊湊的頻率源解決方案，包括在獨立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(kāi)關(guān)型諧振器就經(jīng)常受到與開(kāi)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，而選擇的依據是，使得開(kāi)關(guān)的損耗和非線(xiàn)性不影響諧振器的穩態(tài)和相位噪聲性能。但這種方法不能并發(fā)產(chǎn)生信號，在取得頻率源尺寸、功耗和設計周期的縮小方面效果非常有限。傳統的頻帶選擇源通常采用多個(gè)諧振器、VCO或其它可調諧振蕩器，但任何頻段選擇開(kāi)關(guān)都不可避免地會(huì )降低這類(lèi)多頻段源的性能。

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


圖2：當需要多個(gè)并發(fā)信號時(shí)，比如2.4GHz和4~8GHz范圍內的信號時(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。與其它多重信號產(chǎn)生方法相比，這種方法可以減少復雜性、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

哪種通信設備可以從這種多信號源中獲益呢？無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）是家庭和辦公室環(huán)境中最流行的無(wú)線(xiàn)應用，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)-醫療（ISM）頻段以及從5.15GHz至5.85GHz的各個(gè)頻段?？赏瑫r(shí)在兩個(gè)頻段內工作的WLAN無(wú)線(xiàn)電設備可以與可切換VCO一起工作，雖然更完整集成的多模無(wú)線(xiàn)電設計，應該會(huì )基于一個(gè)能夠同時(shí)覆蓋兩個(gè)頻段的單一信號源（比如RCO）工作。

3多模無(wú)線(xiàn)電的原理

多模無(wú)線(xiàn)電的基本原理是，只使用一個(gè)發(fā)送/接收信號處理鏈同時(shí)處理兩個(gè)或更多個(gè)不同頻率的信號。圖4顯示了一個(gè)雙頻段、2.4GHz/5GHz WLAN收發(fā)器系統的頻率規劃。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，接著(zhù)使用四分頻器獲得1GHz信號。這些同步（I）和正交（Q）信號在正交單邊帶（SSB）混頻器中混頻產(chǎn)生5GHz信號，然后再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分頻得到2.4GHz信號。


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

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(xiàn)電設備所需的信號。也可以從更低頻率的信號著(zhù)手通過(guò)增加倍頻器來(lái)產(chǎn)生多個(gè)信號。但在使用正交頻率轉換器的情況下，倍頻很少用于最后一級頻率轉換，因為在更高的頻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計

傳統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分量?；诟唠A諧振器的可調諧振蕩器可以提供多種振蕩模式，并能單獨或同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨立的頻率。

單輸出可調諧振蕩器是設計多頻段振蕩器的一個(gè)良好開(kāi)端。單頻可調諧寬帶振蕩器利用經(jīng)過(guò)變容二極管調諧的二階諧振器網(wǎng)絡(luò )來(lái)產(chǎn)生特定頻率的信號。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）。這種設計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調諧振蕩器所需的電容大范圍變化的限制。