用于多個無線電頻段的可調(diào)諧振蕩器設(shè)計方案

1背景

振蕩器設(shè)計師現(xiàn)在被要求少花錢多做事，因為有更多的功能和頻段正被打包進諸如蜂窩電話和無線局域網(wǎng)（WLAN）設(shè)備等電子通信產(chǎn)品。下一代無線通信在理想情況下應(yīng)具有足夠的頻率靈活性，以覆蓋多個頻段和眾多通信標(biāo)準(zhǔn)。這一點可以使用多個振蕩器實現(xiàn)，其中每個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)計師發(fā)明的那樣，可以搭建一個單一可重構(gòu)的并發(fā)振蕩器（RCO），其頻率將覆蓋多個壓控振蕩器（VCO）。Synergy公司的RCO可以支持多個無線電頻段（圖1）。與單獨的振蕩器相比，這些RCO可以提供相當(dāng)于獨立可調(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)生多個信號用于多個無線電頻段

2可調(diào)諧振蕩器設(shè)計的概述

無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）的緊湊型無線電設(shè)計，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行折衷。試圖開發(fā)具有低相位噪聲的多頻段VCO，經(jīng)常會形成大體積大功耗的電路。有許多技術(shù)旨在為多頻段無線電設(shè)計提供緊湊的頻率源解決方案，包括在獨立VCO之間進行切換、使用聯(lián)動多頻電路或在多個諧振器之間進行切換。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。

舉例來說，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，在取得頻率源尺寸、功耗和設(shè)計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，多頻段信號是并發(fā)產(chǎn)生的，可根據(jù)需要隨時提供使用（圖2）。


圖2：當(dāng)需要多個并發(fā)信號時，比如2.4GHz和4~8GHz范圍內(nèi)的信號時，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。它工作時不需要倍頻器，也不需要在諧振器和/或振蕩器之間進行切換。與其它多重信號產(chǎn)生方法相比，這種方法可以減少復(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源中獲益呢？無線局域網(wǎng)（WLAN）是家庭和辦公室環(huán)境中最流行的無線應(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的各個頻段?？赏瑫r在兩個頻段內(nèi)工作的WLAN無線電設(shè)備可以與可切換VCO一起工作，雖然更完整集成的多模無線電設(shè)計，應(yīng)該會基于一個能夠同時覆蓋兩個頻段的單一信號源（比如RCO）工作。

3多模無線電的原理

多模無線電的基本原理是，只使用一個發(fā)送/接收信號處理鏈同時處理兩個或更多個不同頻率的信號。圖4顯示了一個雙頻段、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8GHz VCO產(chǎn)生4GHz信號，接著使用四分頻器獲得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)過進一步分頻得到2.4GHz信號。


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

這種方法需要多個緩沖器、分頻器和濾波器電路，才能產(chǎn)生雙頻段WLAN無線電設(shè)備所需的信號。也可以從更低頻率的信號著手通過增加倍頻器來產(chǎn)生多個信號。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頻率轉(zhuǎn)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(shè)計

傳統(tǒng)的單路輸出振蕩器產(chǎn)生的是周期性波形，這種波形實質(zhì)上是一個基頻加上其諧波信號分量。基于更高階諧振器的可調(diào)諧振蕩器可以提供多種振蕩模式，并能單獨或同時產(chǎn)生多個獨立的頻率。

單輸出可調(diào)諧振蕩器是設(shè)計多頻段振蕩器的一個良好開端。單頻可調(diào)諧寬帶振蕩器利用經(jīng)過變?nèi)荻O管調(diào)諧的二階諧振器網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生特定頻率的信號。它會采用一個有源器件（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。