摘 要：在现代宽带数据用户不断提高的过程中，移动通信用户也在不断的发展，如何在一定频谱资源中使网络容量得到提高，并且提高网络覆盖性能，是现代网络建设过程中需要重点考虑的问题。要想能够在有限频谱资源中快速传输综合业务内容，就要具有较高频谱效率技术。MIMO-OFDM技术能够使无线系统容量得到提高，从而实现高速无线多媒体通信。未来宽带无线通信系统对于射频系统提出了较高的要求，所以就要设计稳定本振源。
关键词：宽带多通道；微波收发信机；本振源
中图分类号：TN859 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0099-02
Abstract： With the continuous improvement of modern broadband data users， mobile communication users are also constantly developing. How to improve the network capacity and network coverage performance in a certain spectrum resource？ It is a key problem to be considered in the process of modern network construction. In order to transmit the integrated service content quickly in the limited spectrum resources， it is necessary to have a high spectrum efficiency technology. MIMO-OFDM technology can improve the capacity of wireless system， so as to achieve high-speed wireless multimedia communications. The future broadband wireless communication system has posed the higher request to the radio frequency system， therefore we must design the stable local oscillator source.
Keywords： broadband multi-channel； microwave transceiver； local oscillator source
频率源是雷达、通信、电子及空间电子设备的核心，其性能和系统性能指标具有密切的关系。频率综合技术根据发展经历划分成为直接频率、锁相间接频率、直接数字频率等几种。锁相间接频率合成是一种广泛使用的频率合成技术。其在地面、舰载、机载及弹载等检测雷达中都有应用，因为其可以满足大部分的雷达设备要求的小步进、宽频段的跳频扫频性能[1]。首先，高性的锁相频率综合技术能够提高宽频带范围中雷达系统工作的稳定性。其次，现代宽带雷达系统射频的接收机使用的超外差结构，要求在宽频范围中实现雷达系统的扫描，并使接收到的射频信号下变频到第一中频[2]。所以，研究宽带雷达设备频率源部分的工作属于第一本振宽带微波本振源的范畴。
1 宽带调频锁相
锁相环PLL指的是相位比较控制系统，利用对比VCO输出频率和参考频率的相位使VCO输出频率稳定性得到提高，并且使相位噪声降低。这种对比技术，可以获得良好的相位噪声，而且这种技术具有较低杂散比、体积及成本。因此，这种锁相环技术可以充分满足舰载及机载宽带跳频源的要求。
宽带微波本振源自身的输出频率范围较大，假如利用单一锁相环进行锁定，就会导致环路锁定困难。所以，划分本振源频率为两段，分别利用两个不同的宽带VCO产生一定的频率，然后通过TTL电平控制选通开关选择锁相环路及输出频率，图1为锁相环的结构。通过TTL电平实现锁相环路的选择之后，若出现本振信号问题则属于单一的锁相环锁定问题，其与单锁相环问题的分析方法相同。单锁相环电路结构中具备分频器、VCO及鉴相器等。对于经常使用的数字锁相环也能够通过数字鉴相器集成分频器，有效实现参考频率的预分频，以此能够得出输出频率及参考频率两者的关系：
对于数字鉴相器锁相环来说，可以通过单片机输出控制字来改变鉴相器的分频系数，从而将输出频率可变，进而实现调频的作用。
2 频率源电路设计
PLL频率合成电路使用的器件主要包括频率合成器、单片机、参考频率源、压控振荡器及放大器。现在业内有多种性能优良PLL频率合成器芯片，主要生产厂家包括ADI、TI等。这些厂家的器件具有较高的集成度，并且体积小，工作频率高。对比各公司频率合成器，本文使用ADI公司ADF4106芯片，将其作为本课题使用频率合成器。
ADF4106属于宽带电荷泵锁相环路芯片，其主要是通过高精度电荷泵、低噪声数字鉴相器及可编程参考分频器构成。工作频率的范围为500MHz-6GHz，独立电荷泵电源最高的供电为5.5V，工作电压的范围为2.7-3.3V。另外，还具有锁定检测功能，并可通过SPI数字接口与单片机连接，从而实现单片机控制。
收发本振频率差别为220MHz，收发频率具有较大的间隔，这样可以有效降低收发通路的相互干扰。假如外部压控振荡器的覆盖频率较宽，那么就会使相位噪声指标恶化。因此本文使用了超低相位噪声系列压控振荡器，并在发本振及收本振电路中都进行了使用，两种VCO供電电压为5V，谐波电压的范围为0.5V-4.5V。
参考的频率源使用高稳定度的恒温晶振，其工作频率为10MHz，频率的稳定度为0.05ppm，供电电压为+12V，这些指标能够满足频率合成器的需求。根据上述对主要器件特性的分析，确定使用直接锁相方式能够实现2.4GHz本振的输出，利用单片机控制频率合成器的R及N寄存器，以改变频率。
3 环路滤波器的设计
本文设计压控振荡器VCO的宽输入调频范围在0.5V-15V，从而将VCO的有源PLL环路滤波器工作在低电压范围。此结构实现的目的就是将增益级放置到无源环路滤波器中实现，由运算放大器输入噪声输出反馈，这样能够实现有源滤波器的整形响应功能，并可以有效降低噪声。轨到轨的跟踪设计是PLL有源滤波器中的重要组成部分，其能够通过单运算放大器电路实现。这种设计主要是通过在上电前OV即启动电荷泵来实现，若使用缺少轨到轨功能的运算放大器则会出现问题。将运算放大器偏置到低电压中，对于不匹配的电阻及温度变化出现的偏执电压内置运量，可以设置偏置电平为电荷泵电源的二分之一，不仅能够使输入电压范围需求得到满足，而且余量充足，具备最佳的电荷泵杂散性能。
一般环路滤波器设计带宽都是选择为鉴相频率的十分之一，不能够超过五分之一，否则会导致失锁的情况出现。在实际使用中为了保证对带外噪声进行有效的抑制，在设计过程中一般设计的宽带要比鉴相频率十分之一还低一些。在本设计中的鉴相频率为25MHz，实际环路滤波器带宽设计为30KHz，相位的裕度则设置为45°。利用ADI公司仿真辅助工具进行仿真计算，以得出环路滤波器的参考设计电路。当然，最终应用时还要根据实测情况对参考电路进行微调。
4 功分器电路的设计
微波功分器也被称为功率分配器，指的是使一路输入微波信号能量划分成为两路或者多路输出相等或不相等能量的多端口微波网络。一般微波功分器主要采用两种结构方式，分别为微带线功分器及腔体波导功分器。腔体波导功分器具有较小的差损，并且具有良好的平衡度，但是制作工艺较为复杂，占用空间比较大，无法满足小型化设计的需求。微带线功分器的设计制作较为简单，体积也比较小，但是其具有较大的插损。
功分器的主要指标包括：
（1）分配损耗。分配损耗指的是功分器理论损耗值，也就是微波信号功率划分成为多路的时候，每路的理论损耗值，公式表示为：
Ad=101og（1/N）
其中的N指的是功分级数。
（2）插入损耗。插入损耗指的是在传输路径中因为传输线介质、端口匹配等不理想因素导致出现微波信号损耗，功分器损耗为插入损耗及分配损耗的和。
（3）隔离度。隔离度指的是两个输入端口之间的信号隔离程度。在理想状态下，当信号从一个支路端口输入功率的时候只能够从主路输入，不能够从其他的支路输入，支路之间应当具备足够的隔离度。但在实际中，因为各个输入输出端口匹配及传输线中信号串扰的原因，无法有效达成理想的状态，但为了保证性能一般的隔离度要求为20dB以上。
为了使信号相位一致性及幅度一致性得到保证，可以将仿真实现的二功分器进行级联，并且使其对称分布，从而创建成为八功分器。
利用ADS软件生成此仿真结构电路图，也就是将原理图中的各个传输线模型转化为PCB板中实际的微带线，在PCB板加工后可以通过实测，并修改基板及微带的参数，进而实现电路的优化，并尽量与仿真出的S参数相一致。
5 测试结果分析
在进行本振源测试的时候，可根据先倍频链后本振源的顺序进行测试，12GHz倍频链的测试结果详见图2。12GHz一路成为第一次下变频射频输入之外，另外一路通过4分频产生3GHz信号，3GHz信号放大之后作为第二次下变频的本振，另外一路作为鉴相器反馈端的输入信号。由于鉴相频率156.25MHz信号的相位噪声与3GHz相位噪声具有密切的关系，并且156.25MHz信号相位噪声会对VCO的输出相噪造成影响，所以12GHz的相噪会对最后输出的相噪起到决定性的作用。最后的测试结果表明，整个电路不管是相位噪声还是杂散指标，都能够满足实际需求。
6 结束语
本文对MIMO-OFDM系统中本振源设计的需求进行了分析，本振源输出要求为高稳定度，低相位噪声的本振信号。另外，在宽带多通道微波收发信号使用过程中，本振源实现了八路同幅度、同相位的本振信号输出。以需求指导本振源的设计，并对每部分电路进行了分析，最后进行了测试。通过测试结果表明，本文所设计宽带多通道微波收發信机本振源能够满足实际使用需求。
参考文献：
[1]王俊鹏.33～37GHz宽带收发模块研究[D].电子科技大学，2016.
[2]王亚涛.用于微波侦听系统的信标源及天线设计[D].南京理工大学，2017.