1 背景
振蕩器設計師現(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)設備等電子通信產(chǎn)品。下一代無線通信在理想情況下應具有足夠的頻率靈活性，以覆蓋多個頻段和眾多通信標準。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，開關型諧振器就經(jīng)常受到與開關相關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?無線局域網(wǎng)(WLAN)是家庭和辦公室環(huán)境中最流行的無線應用，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-醫(yī)療(ISM)頻段以及從5.15GHz至5.85GHz的各個頻段。可同時在兩個頻段內(nèi)工作的WLAN無線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線電設計，應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(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簡單的并聯(lián)LC網(wǎng)絡和一個有源器件?？梢援a(chǎn)生兩個并發(fā)頻率的振蕩器電路，必須能夠在兩個截然不同的頻率點同時提供負的電阻值，更高階的諧振器就是用于這個目的。諧振器的階數(shù)取決于期望的不同頻率信號/頻段數(shù)量。雖然一個簡單的二階諧振器網(wǎng)絡只產(chǎn)生一個頻率，但一個四階諧振器網(wǎng)絡可以產(chǎn)生兩個并發(fā)的頻率。
設計這種振蕩器的技巧，是需要了解支持多個獨立頻段所需的負電阻值，這方面的信息可以通過執(zhí)行網(wǎng)絡分析找到。這類分析可以形成圖1所示的多模多頻振蕩器設計。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，可以實現(xiàn)多個穩(wěn)定的振蕩模式，并產(chǎn)生多個諧振頻率。借助合適的非線性有源電路拓撲和必要的諧振器元件值，更高階振蕩器可以提供多于一個的諧振頻率。例如，具有四階諧振器的可調(diào)諧振蕩器，可以單獨或同時產(chǎn)生兩個截然不同的頻率ω1和ω2(圖6)。這種振蕩器可以通過在振蕩器晶體管(比如雙極晶體管)基極綜合兩個不同值電感組裝而成，從而創(chuàng)造同時持續(xù)振蕩所需的條件。
圖6:帶四階諧振器的振蕩器可以產(chǎn)生多個同時輸出信號
5 多頻振蕩器的測試
為了驗證多頻振蕩器概念的有效性，這里組裝了一個原型用于產(chǎn)生兩個同步頻段。通過在雙極晶體管的基極使用兩個并聯(lián)二階諧振器，實現(xiàn)了振蕩器的四階諧振器(圖1)。RCO采用的版圖設計(圖7)，可以用標準集成電路(IC)技術(shù)制造。它使用了更高階的超材料諧振器完成多個并發(fā)頻率的操作，能橫跨兩個不同頻段(如2.45~2.65GHz和4.85~5.25GHz)調(diào)諧，與分開的開關型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版圖
直觀的感覺是，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)時大。在商用計算機輔助工程(CAE)軟件的幫助下，可以對雙頻振蕩器的諸如相位噪聲等不同性能參數(shù)(圖8)進行仿真。通過在雙極晶體管基極的諧振器網(wǎng)絡上跨接調(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)射極所需的負電阻和電抗(電感或電容)。
圖8:計算機輔助工程軟件工具在仿真雙頻振蕩器設計的性能參數(shù)時非常有用，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題，比如振蕩器電路振蕩在雙模的時候。給定設計中的模泄漏量，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計要求。
6 結(jié)語
四階振蕩器的相位噪聲在只產(chǎn)生其諧振頻率之一時，與使用相同有源拓撲和諧振器品質(zhì)因數(shù)(Q)的二階振蕩器的相位噪聲相當。
但與常用的開關型諧振振蕩器相比，四階振蕩器在VCO實現(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偏移處的測量值通常都好于-120dBc/Hz
本方案所設計的多頻段振蕩器只需+5VDC和20mA偏置，并且在兩個頻段上均能提供+3dBm的典型輸出功率。對于多模多頻段無線設備而言，這種單一源也許能夠匹配許多傳統(tǒng)的VCO.經(jīng)證實，本方案設計的多頻段振蕩器具有極強的應用價值。
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