（电磁场与微波技术专业论文）无源互调测试系统射频组件设计.pdf

摘要 摘要 i i l llit e i ill ulil l liil y 2114 5 2 6 大功率多路载波信号进入无源器件如合路器、耦合器等时，无源器件本身的 非线性会产生对应的无源互调分量。现代无线移动通信系统的快速发展对器件的 无源互调指标提出了越来越高的要求，对于无源互调的研究近年来也成为业界的 热点问题。本文对无源互调产生机理和国内外无源互调测试系统进行了归纳研 究，设计出基于i e c 6 2 0 3 7 号文件的无源互调测试系统的射频部分组件，应用于 实际生产中无源器件的互调测试。本文系统介绍了无源互调测试系统的组成和工 作机理，对无源互调测试系统的组件进行了指标分离：将整个系统的射频组件分 为信号发射系统和信号接收系统，借助h f s s ，a d s 等仿真软件，对相关组件的 射频性能进行分析，对相应关键指标展开研究，从稳频和稳幅两个方面对射频组 件进行设计。通过加工调试和测量，各个分立组件均达到设计要求，整体运行良 好。 本论文主要研究内容分以下几点： 一、主要介绍了无源互调的概念，以及无源互调测试系统的研究意义，总结 了p i m 的产生机理。 二、设计并优化了信号发射系统和信号接收系统的各个组件，对各组件的关 键指标展开研究和设计，并给出仿真和测量结果。 三、采用p i c l 6 f 1 9 3 x 系列单片机，结合d a c 功能，对数字锁相环，衰减 器等进行设计，实现对频率，幅度的精确控制。 总之，本文从无源互调产生机理出发，结合微波和数字电路知识，设计开发 了移动通信频段无源互调测试系统的射频组件。通过仿真和实际测量，该系统的 各个组件性能良好，满足设计要求。该系统也应用于无源互调测试的生产实践， 运行稳定。 关键字：无源互调测试系统；压控振荡器；低噪声放大器；p i c 单片机 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 a b s t r a c t p a s s i v e c o m p o n e n t s w i t hn o n l i n e a r p r o d u c e w i l ll e a dt ot h e p a s s i v e i n t e r m o d u l a t i o n ( p i m ) w h e nh i g h p o w e rm u l t i - c h a n n e ls i g n a lc a r r i e di n t oi t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i ti sr e q u i r eh i - q u a l i t y ， l o w - p a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o nc o m p o n e n t s ，a l s o ，t h es t u d yo fp a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o n i nr e c e n ty e a r sh a sa l s ob e c o m eah o ti s s u ei nt h ei n d u s t r y b a s e do nt h em e c h a n i s m o ft h ep a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o n ，a n dt h ep a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ， t h i st h e s i s g i v e st h ed e s i g n i n go ft h e r fd e v i c e so ft h ep a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hb a s e do i lt h ei e c 6 2 0 3 7d o c u m e n t m e c h a n i s mo f p a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o ni sg i v e na n dt h ec o m p o s i t i o no ft h ep a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e m t h es e p a r a t i o n so fr fc o m p o n e n t sa r eg i v e ni n t ot h es i g n a l t r a n s m i s s i o na n ds i g n a lr e c e p t i o ns y s t e m ，w i t ht h eh e l po fs i m u l a t i o ns o f t w a r es u c ha s h f s s ，a d s ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o nt h er fp e r f o r m a n c eo ft h e c o r r e s p o n d i n gc o m p o n e n t si sc o n d u c t e d a g a i n ，f o rt h ec o r r e s p o n d i n gk e ys y s t e m i n d i c a t o r s ，f r o mt h eh i g h f r e q u e n c y s t a b i l i t ya n dh i g h - a m p l i t u d e - s t a b i l i t yo ft h er f d e v i c e s ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n ti s c o n d u c t e d t h ec o n c l u s i o ni s g i v e nb y d e b u g g i n ga n dm e a s u r e m e n t ：t h ec o m p o n e n t st oa c h i e v et h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa n d t h es y s t e mh a v eh i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g hr e l i a b i l i t y t h em a i nr e s e a r c h e sc o n t e n to ft h i st h e s i si sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n g ： 1 i n t r o d u c e st h ec o n c e p to fp a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o ns i g n i f i c a n c e ，a n dp a s s i v e i n t e r m o d u l a t i o nt e s ts y s t e m ，s u m m a r yo fp i m g e n e r a t i o nm e c h a n i s m 2 t h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h es i g n a l r e c e i v i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n do p t i m i z e d ，t h ek e yi n d i c a t o r so ft h ev a r i o u sp a r t si s r e s e a r c h e da n dd e s i g n e d ，a n ds i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n tr e s u l t si sg i v e n 3 b a s e do np i c16 fi9 3 xs e r i e sm i c r o c o n t r o l l e r , c o m b i n e dw i t ht h ed a c f u n c t i o n ，t h ed e s i g no fd i g i t a lp h a s e - l o c k e d - l o o p ，a r e n u m o r i no r d e rt oa c h i e v e p r e c i s ec o n t r o lo f 仔e q u e n c ya n da m p l i t u d e a b s t m c t o v e r a l l ，t h i st h e s i sf r o mt h ep a s s i v ei n t e r m o d u l a t i o ng e n e r a t i o nm e c h a n i s m ， c o m b i n e dw i t h k n o w l e d g e o fm i c r o w a v ea n dd i g i t a lc i r c u i t ，t h e d e s i g na n d d e v e l o p m e n to ft h er fc o m p o n e n t st h r o u g ho fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nf r e q u e n t - b a n d p a s s i v e i n t e r m o d u l a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m t h r o u g hs i m u l a t i o na n da c t u a l m e a s u r e m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n d i v i d u a lc o m p o n e n ti nt h es y s t e mt om e e t d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e m i sa l s ou s e di n t h e p r o d u c t i o n o f p a s s i v e i n t e r m o d u l a t i o nt e s tp r a c t i c e ，o p e r a t i o ns t a b l y k e y w o r d s ：p a s s i v e i n t e r m o d u l a t i o nm e a s u r e m e m s y s t e m ；v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ；l o w - n o i s ea m p l i f i e r ；p i cm i c r o c o n t r o l l e r i i i 第一章引言 第一章引言 1 1 无源互调测试系统的研究意义 在频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 的通信系统中， 当系统同时传输两个或者两个以上的载波时，由于通信系统中各个组件的非线性 特性，会产生互调信号。其中，载波通过放大器等有源组件产生的互调产物被称 为有源互调( a c t i v ei n t e r m o d u l a t i o n ，a i m ) ，而天线、隔离器、双工器、合路器、 耦合器、电缆等无源器件而产生的互调产物被称为无源互调。 由于有源器件本身的非线性是不可避免的，导致有源互调产物对于通信系统 的影响往往是不可忽略的，因此国内外学者对于有源互调的研究比较早【l 一。通 信信道化的出现，尤其是时分多址技术( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 的发展，很大程度上减少了有源互调对通信系统的影响。 当大功率多路载波通过无源器件时，器件本身的非线性特性会产生相对于基 频的高次谐波，两路或者多路载波与其产生的高次谐波混合产物有很多，这种频 率产物被称作无源互调产物。由于现代无线通信系统发射和接收频段频率相差不 大，因此，发射机产生的无源互调产物往往会落入接收机频段，从而干扰接收机 的正常工作，影响通信质量。 在相当长的一段时间内，无源器件都被认为是线性的，这主要是因为无源互 调产物与载波的功率比很小，对当时的通信系统不产生影响。上世纪七十年代后 期，随着空间技术的发展，在大容量通信卫星系统中，发射机的发射功率往往很 高，同时接收机的灵敏度也有很大的提高，无源互调被第一次作为通信系统的影 响因素被提出来，其互调产物功率的高低，直接影响了通信系统的正常运行。因 此，无源互调干扰就成为衡量器件设计，通信系统性能的主要指标之一。而对无 源互调的研究，近年来也成为研究的热点问题【5 。们。 现代移动通信系统的快速发展对通信系统的信息容量，通信质量，各个系统 组件的性能提出了更高的要求，而移动通信系统也向着大功率、高灵敏度的方向 发展，这就对器件的p i m 指标提出了更高的要求，也对设计者，生产商提出了 更严格的要求。在这个背景下，对于p i m 的精确测量，也越来越引起人们的关 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 注。 1 2 国内外研究现状 p i m 的产生机理学界并没有统一的解释，归纳起来，一般有以下几种：铁 磁材料的非线性特性，金属绝缘体金属( m e t a l i n s u l a t i o n m e t a l ，m i m ) 的电子 隧道效应，导体电阻的非线性特性，金属表面粗糙度和污染导致的非线性特性。 p i m 的首次发现来源于“锈栓效应”( r u s t y b o l te f f e c t ，r b e ) ，这是对天线 结构件产生的通信干扰的定性描述【1 0 】，这种效应只存在在收发天线在小空间内 共存的情况下。1 9 6 6 年，k r s t a n s k y 在他的研究报告中指出铁磁材料是p i m 的主 要产生来源，并且发现并测量了钢，镍，铜等金属的p i m 产物，并且第一次给 出了降低p i m 值的方法。而对于p i m 的第一次大规模研究是由伊利诺理工大学 ( i i t ) 在上个世纪六十年代开展的，当时包括b e t t s l l l l ，l e e m 】，以及y o u n g b 3 】 等人分别对不同材料的p i m 特性进行了广泛的研究，并且能够在一定程度上定 量预测和描述。 对于非铁磁材料的p i m 产生机理的研究开始于h i g a 的关于对深层空间天线 的噪声研究【1 4 l ，他系统研究了a i a 1 2 1 3 a i 材料在s 波段的p i m 噪声，并第一 次在文章中表明，m i m 机理可能能够部分解释p i m 的产生，在h i g a 研究的基础 上，b o n d 在1 9 7 9 年提出了m i m 连接物的电子隧道效应【1 5 】，这是他在系统研究 铝氧化连接器的p i m 特性时获得的。 以上两种对p i m 机理的解释被大多数学者所认同，除此之处，l e e 在1 9 8 0 年提出了电阻非线性导致p i m 1 2 1 ，c h a p m a n 提出的金属缝隙和气孔以及污染物 的非线性【1 6 】，也对p i m 的产生机理进行了有益的补充。 伴随着p i m 产生机理的研究，如何有效的测量无源器件的p i m 也成为人们 研究的重点，在上世纪九十年代末期，美国国家标准技术研究所( n i s t ) 第一 次大规模组织了超过1 0 个无线电工业企业进行p i m 的测量，以期获得确定美国 无线通信p i m 测量标准。该结果第一次相对统一的改进和确立了p i m 的测量方 法，在此基础上，i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，国际电工委员 会) 于1 9 9 9 年发布了编号为i e c 6 2 0 3 7 的文件，提出了传输p i m 和反射p i m 的 推荐测量方法，这也成为了业界测量p i m 的通用方法。本文所研究的系统即基 2 第一章引言 于该测量系统所开发的，也为实验数据的准确性，可靠性提供了理论保证。 国内对p i m 测量系统的研究开发相对起步较晚，尤其是由于多年来对p i m 测量系统的忽视，并未将其作为通信系统设计和通信网络建设的核心指标，因此， 相对应的测试标准迟迟未能建立。直到2 0 0 8 年我国的p i m 测试通行标准才由中 国信息标准化协会会同相关实验室，运营商等一同建立。这次建立，完善了我国 在p i m 测量标准上的缺失，也为生产，运营商提供了可参考的测量依据，不仅 促进了无线通信系统的发展和有效运行，也促进了p i m 测试系统的研究和完善。 由于无源互调的产生机理尚不明确，而且不同机构采取的测量方式，测量标 准并不通行。即使是展开p i m 测量较早的国外各大机构和企业，也没有制定出 通用的测量标准。国内对p i m 测量系统的研究尚处在起步阶段，各个企业所采 用的标准并不完全一致，这也导致了测量数据没有可重复性和可对比性。而随着 通信网络的完善，运营商已经将p i m 的测量数据作为采购评价的标准之一：中 国移动已经明确将p i m 标准作为集采标准，其他运营商相关规定也在制定之中， 因此，提供精确，可靠的p i m 测试系统和权威的测试结果，既是行业发展的客 观要求，也是发展p i m 测试系统和完善相关标准，从而赶超国际先进水平的良 好契机。 无源互调测试系统的商业化在国外已经开展了十多年了，其主要市场份额也 由美国s u m m i t e k ，德国罗森伯格等发达国家企业占有，相关的测试系统也主要 由频综，频谱仪等通用仪器搭建而成，系统体积庞大，造价昂贵，难以集成，并 且在一定程度上造成了资源浪费。而大部分射频器件生产商不能独自搭建p i m 测试系统，而1 0 0 万2 0 0 万左右的商用测试系统对于大部分企业来说也过于昂 贵。因此，专门的p i m 专用测试系统，能够使更多的生产商，用户展开对p i m 的测量，有助于提高产品品质，也能够使我国的p i m 测试标准得到推广和完善， 从而为我国无线通信事业的发展提供支持。 国内p i m 测试系统的先行者有南京纳特、杭州紫光等。受限于技术手段， 尚没有高频段覆盖，高灵敏度的商用系统问世。 1 3 主要工作及论文章节安排 文章主要研究焦点集中在无源互调测系统射频组件的研究和设计，基于对无 3 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 源互调产生机理的研究和对射频测试系统的研究，设计了针对移动通信频段的无 源互调测试系统的射频组件，从而为实现高集成度，高精确值的p i m 测量做出 了重要贡献。本文的主要工作如下： 首先，总结了无源互调的产生机理，给出无源互调测试系统完整框图，对射 频系统的各个分立组件进行分离，从而总体上对整个系统进行把握。 其次，对于系统的关键组件：频率源和低互调分合路系统的相关理论展开研 究，获得频率高稳定度，幅度高稳定度的理论依据和解决方案：稳频方面，采用 p i c 单片机结合数字锁相环芯片( p h a s el o c kl o o p ，p l l ) ：稳幅方面，采取p i n 二极管构成的衰减网络结合集成运算放大器的技术方案；通过对无源互调机理的 研究，设计低互调产物的分合路系统，同时对其相关射频组件进行仿真设计和调 试。 再次，对于射频系统中数字电路，尤其是程控部分展开研究，高速数字电路 与射频结合是射频领域的发展方向，单片机结合数字p l l ，衰减器等，能够有效 解决无源互调测试系统中射频组件的精确控制问题。 最后，通过对无源互调测试系统中射频组件的设计和研究，构成一套高集成 度的p i m 互调测试系统的射频前端，通过实际测量验证系统的准确性和稳定性， 并对以后的工作提出要求并进行展望。 本文共分七章，相关章节如下： 第一章引言，主要介绍了无源互调的概念，以及无源互调测试系统的研究 意义，总结了p i m 的产生机理并确定本文的工作安排。 第二章系统组成及功能，主要内容是定量的描述p i m 的产生和测量依据， 阐述p i m 测量系统的构成和功能，并对相关组件进行功能分离。 第三章发射系统射频组件的设计，该章主要内容是对发射端的相关组件进 行设计，主要涉及到频率源与分合路系统的设计，对于频率源的设计采取的是集 总元件压控振荡器的相关设计方法，对于分合路系统是基于腔体滤波器的理论， 本章给出的相关组件的设计过程及仿真，测试结果。 第四章接收系统射频组件的设计，该章主要对接收端的相关部件进行研究 和设计，接收端采取的是超外差式接收机方案，涉及对低噪声放大组件的仿真设 计，结合e d a 软件，能够方便准确的设计出相关器件。 4 第一章引言 第五章关键指标及理论研究，这一章从频率稳定技术，幅度稳定技术几个 方面对关键组件的指标进行研究，结合已有的相关理论，确立实现频率、幅度稳 定的技术路线，对设计低p i m 无源器件提供理论依据，给出测量结果。 第六章程控部分设计，本章主要内容是对相关的数字电路，尤其是程控电 路展开研究，程控组件是对射频系统进行控制的关键部件，本系统采用的是基于 r i s c 指令集的p i c l 6 f 1 9 3 x 系列单片机，结合d a c 功能，对数字锁相环，衰减 器等进行设计，从而实现对频率，幅度的精确控制。 第七章总结与展望，本章主要是对本文相关工作的总结，提出相关问题并 指出以后工作的研究方向。 5 安徽大学硕士论文。无源互调测试系统射频组件的设计 第二章系统组成及功能 2 1 无源互调的数学描述 对于一个频分多址系统而言，多路信号会同时存在在一个通信系统内，当多 个信号通过任意一个具有非线性特性的器件时，将会产生相应的互调产物，收发 共用一个天线的射频系统例如雷达，射频识别系统，互调信号将不可避免的被接 收系统接收到。对于一个系统的非线性传递函数的描述可以使用以下的公式，为 了简单起见，只给出两路输入信号的三阶的非线性结果： y = a t x + a 2 x 2 + a 3 x 3 ( 2 1 ) 其中x 和y 分别是指输入和输出信号的瞬时值，假设输入信号存在角频率分 别为和媲两个频率分量： x = c o s q ，+ c o s 吐r ( 2 2 ) 对于整个系统的非线性结果为： y ( t ) = c 1 1 ( c o s 0 3 i t + c o s o ) 2 t ) + a 2 1 + i 1c 。s 2 q ，+ i 1c 。s 2 q ，+ 三c 。s ( q + 哆) f + 互1c 。s ( q 一哆) f 】+ 呜c 三c 。s q ，+ 三c 。s 吐，+ 丢c 。s 3 q r + 丢c 。s 3 吐，+ 三c 。s c 2 q + 哆y 2 3 + i 1c 。s ( 2 q 一哆) ，+ 互1c 。s ( 2 0 j ：+ q ) ，+ i 1c 。s ( 2 c o ：一q ) f 】 假如两个输入频率比较接近，那么在频率上接近于基频q ，咤的谐波频率分 量就是2 c o , 峨和2 姚c o t ，而这两个谐波分量就有可能对基频产生影响，尤其 是在移动通信系统中接收频段与发射频段非常接近，因此，以上的谐波频率很 容易落进接收频段，影响通信系统的正常运行。此外，这两个谐波是产生于三阶 非线性多项式中，因此称为3 阶互调，而实际上，传输通道内非线性产物的阶数 是无穷多的，因此相应在5 阶，7 阶等处仍然会出现与基频在频率上接近的谐波， 这种互调产物被称为5 阶，7 阶互调，其表现形式为3 0 7 2 士2 q 、3 鸭2 c o , 、 6 第二章系统组成及功能 4 1 0 2 + 3 t o i 、4 q ：! ：3 t 0 2 。在余下章节中，如不声明，互调产物均指的是与基频频率 接近的互调产物，图2 1 给出的是典型无源互调产物的频谱简图。 氛厶 2 f ,一五 2 左一石 3 f , 一2 a 3 五- 一2 z 4 f - 3 l4 五一3 f , s f , 一4 五 5 a 一4 z l l 图2 1 无源互调产物的频谱简图 2 2 无源互调测试系统的组成 现在国内外通行的无源互调测试系统的搭建主要基于i e c 6 2 0 7 3 文件，该文 件分别给出了传输p i m 和反射p i m 的推荐测量方法。本文所设计的无源互调测 试系统也是基于i e c 6 2 0 3 7 号文件研制的。 对于射频组件的一个典型的p i m 测试值的定义如下：两个+ 4 3 d b m 的载频功 率进入被测器件( d u t ) 时，d u t 产生的无源互调产物功率的大小。其中互调 产物的描述可以是绝对值，以d b m 来表示，也可以是相对值，以d b c 来表示， 例如：一个d u t 产生的3 阶无源互调产物的大小为11 2 d b m ，其无源互调产物 的相对值即为1 5 5 d b c 。对于通常的移动通信所用无源器件而言，三阶互调一般 要求低于1 2 0 d b m 2 4 3 d b m 。 传输互调测试系统的结构简图由图2 2 所示： 信号源l功放1 合路器双工嚣1 双- l - u 2 一一、v 厂、v 公一 - h 负载 厂一弋一， - p 厂弋一 化一义二佗 d u t 一一、v 舢 1 竺 厂弋。r 佗 图2 2 传输互调测试系统框图 7 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 其中，两个信号源用于产生频率相近的两个频率，并由功放将输出功率推到 满足测试要求。合路器的作用是将两路信号合并为一路，从而使互调的产生成为 可能，双工器的主要作用是提供上行频带和下行频带，其上行频带一般为为发射 频带，而下行频带为接收频带，也就是无源互调产物可以通过的频带。d u t 是 被测器件，在传输互调的测试系统中，互调产物是通过另外一个双工器的下行频 带接收的，上行频带需要在接收端匹配一个5 0 q 的负载。各个系统之间通过同 轴电缆连接，在整个测试系统中，所有的无源器件本身的p i m 水平必须足够低 于被测件，以保证接收机所测量到的互调产物是由被测件产生的。同时，接收系 统的灵敏度必须足够大，以保证能够测到极其微弱的互调信号。 反射互调测试系统结构简图由图2 3 所示： 信号源1 功放1 合路器双工器 八 厂、， 厂弋v ， 厂弋j 叱佗 厂、，7 i 。u th 负载 接收机 ，_ 弋| 佗 图2 3 反射互调测试系统框图 与传输互调测试系统不同的是，反射互调的输出端接的是匹配负载，而其输 入端的互调产物是由第一级双工器的下行频带接收并进入接收机的。 结合以上两种测量系统，本文对所设计的无源互调测试系统进行了功能分 离，主要分为信号产生和发射系统，信号接收系统，以及外围控制系统，具体构 成如下： a 、信号产生和发射系统：压控振荡器、锁相环、a g c 电路、功放、合路器、 双工器等。 b 、信号接收系统：低噪声放大器，混频器，中频放大器，中频滤波器等。 c 、外围控制系统：面板按键及旋钮，数字显示模块，电源等。 本文主要工作设计的是互调测试系统的射频组件，主要包括信号产生和发射 系统的全部和接收系统的射频前端部分组件。 8 安徽大学硕：t 论文：无源互调测试系统射频组件的设计 第三章发射系统射频组件的设计 3 1 振荡器的设计 3 1 1 振荡器的基本原理 振荡系统的闭环传递特性由图3 1 所示，其主要包括放大单元日一佃) 和反馈 单元q 佃) 构成，放大单元对信号提供一定的放大，而反馈单元是将输出反馈进 输入端，从而维持振荡。 图3 1 振荡器闭环传递特性模型 其输出电压与输入电压吃的关系为： 堡：生燮 ( 3 1 ) l 一日，( r o ) h 一沏) 在振荡条件下，输入电压为零，即吃= 0 ，若要求有振荡输出，即0 ， 则式( 3 1 ) 的分母必须为零，则得到： 4 ( c o ) u ，( c o ) = l ( 3 2 ) 这就是稳定振荡判定条件，也称为巴克豪斯准则。 对于只有一个输入和一个输出的二端口网络而言，其反馈网络的结构通常有 两种，即n 形反馈网络和t 形反馈网络，如图3 2 ( a ) 和图3 2 ( b ) ： 1 0 第三章发射系统射频组件的设计 为： 3 2 ( a ) n 形反馈网络 可以证明，这两种反馈网络是等价的【17 1 ， 驰) = 皂2 毫i 3 2 ( a ) t 形反馈网络 对于n 形网络而言，其传输函数 ( 3 3 ) 其中z l 、z 2 、z 3 为对应的电抗元件，而放大器的传输函数由式( 3 4 ) 表示： 也( ) = 卫y c r b + l ( 3 4 ) 整个环路的闭环传递函数则能够表示成： 一( 州和) = 丽瓦考案编旬 5 ) 若上式恒等，则分母必须恒等于0 ，因此分母的每项都应该为0 ，从中可以 看出，对于反馈环路上的电抗性元件，z l ，z 3 必须同号，这意味着必须是同一 类电抗性元件，而z 必须与之相反。为了避免损耗，在实际电路中使用电容和 电感实现反馈网络，表3 1 列出了常用的n 形振荡器的结构。 z i ，z 3 电容电感 z 2 电感 电容 结构 i i 厂3 tt 名称 h a r t l e y 振荡器c o l p i t t s 振荡器 表3 1 两种7 r 形反馈网络 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 图3 3 给出了实现c o l p i t t s 振荡器的一种结构，其中q 为n p n 三极管，其作 用是提供维持振荡的必要增益。q 是隔直电容，r 、r 是偏置电阻，为了简便 起见，省略了电源，c l 、c 2 、厶是反馈网络。 图3 3 典型c o l p i t t s 振荡器结构 另外，对于任何反馈支路上的元件，其反馈元件的获得并不唯一，只是要求 在工作频率下该处的电抗元件所体现的是感性或者容性，例如图3 2 的厶处，如 果此处电感量很小，可以使用一个电感和一个电容的串联结构以获得比较大的等 效电纳，这种振荡器称为c l a p p 振荡器。在实际应用中，往往通过在某个支路上 引入一个变容管来实现对频率的控制，因此，在必要的时候，需要与变容管串或 并上一个电容或者电感，来获得需要的电抗值。 3 1 2 振荡器的相位噪声分析 振荡器的相位噪声在时域上体现为一个连续的周期信号的抖动特性，其主要 噪声来源为热噪声，散粒噪声和闪烁噪声，其中，热噪声是温度，带宽和电阻作 用的结果，散粒噪声是由直流偏置电流引起的，而闪烁噪声则是有源器件的固有 特性【1 引。 在不考虑幅度调制相位调制( a m t o p m ) 的情况下，振荡器的噪声模型可 以由图3 4 表示，其中包含一个相位调制器，一个谐振器以及一个无噪声放大器。 其中放大器的输入端的噪声与谐振器的带宽相关，相对于载频的频偏厶而言， 带宽越窄，选频特性越好，相位噪声就越低。 1 2 第三章发射系统射频组件的设计 该模型的噪声谱由式( 3 6 ) 表示： 岛( 厶) 一f p k t b 、1 + 争) ( b = 1 ) ( 3 6 ) ls 甜 jm 其中，k t b = 也是放大器的总噪声输入功率，b 。是载频功率，b 是带宽， 这里取i h z 。该式的含义是，近载频处，由于闪烁噪声的存在，信号的频谱被恶 化了。 振荡器的等效反馈模型由式( 3 7 ) 给出： ( ) = 币瓦1 习可 3 7 ) 其中q 2 q l = 2 r o b 2 ，为谐振器带宽的1 2 ，该式表示的是谐振器对于角频 率偏移的幅度响应，q 工是谐振器的有载品质因数。 将式( 3 7 ) 进行相位谱转换，得到式( 3 8 ) ： “c 时掣1 瓦t o 士以， 8 ， 代入品加( 厶) 可以得到式( 3 9 ) ： 三( 厶) = 互1 【1 + 去( 去) 2 】& 加( 厶) ( 3 9 ) 式( 3 8 ) 中蜀加( 厶) 的系数l + 【( 1 七) ( z 2 q l ) 2 】是恒大于1 的，因此，由式 ( 3 8 ) 可知，输入端的闪烁噪声在通过放大器后，由于网络内正反馈的存在， 其值被放大了。将式( 3 6 ) 代入式( 3 9 ) ，可以得到整个振荡器闭环相位噪声表 达式： 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 一扣去c 妒f k t b ( 1 + 旁 2 嚣【专卺+ 万1 、瓦) 2 + ( + 尝) 】地c ，砘 q = 警= 燃 尸盟 ( 3 1 3 ) ” d 毗) = 扣老2c 袅+ 虿1 + 专小t + 薏，等 1 4 第三章发射系统射频组件的设计 振荡器结构无载品质因数调谐范围 集总元件l c几十几百中等( 结合变容管) 微带线几十中等( 结合变容管) 介质谐振器几百几千窄 y i g 铁氧体几千很宽 表3 2 常用谐振器无载品质因数和调谐范围 2 、尽量增大有载品质因数q 。方法是增加谐振网络两端电压以及充分考虑谐振 网络无源器件的无载品质因数，不能将回路中的电容取小以至于与电路分布电容 处在一个数量级，这样会增大分布元件的接入系数；尽量减小低q 值器件的接入 系数，在满足调谐范围的基础上，尽量减小诸如变容管等器件的接入系数。 3 、避免有源器件进入饱和区。器件饱和会大幅提高振荡器的相噪水平，增加非 线性。通过调整偏置避免器件饱和，此外，在满足使用的前提下，尽量选择截止 频率低的晶体管，因为z 越高的管子其低频增益往往越大，输出端也往往功率压 缩的越厉害，因此在相同频率下，f , t g 的有源器件往往相噪更好。 4 、选择噪声系数小的有源器件，闪烁角频率z 小的有源器件相位噪声更小。 5 、通常情况下，振荡器后需要加缓冲放大器来改善推动负载能力，尽可能的使 振荡器的状态稳定。 3 1 3 振荡器的c a d 设计 移动通信行业频段划分标准为：g s m 8 0 0 ：8 2 5 m h z 9 6 0 m h z ，g s m l 8 0 0 ： 1 7 1 0 m h z 1 8 5 0m h z ，3 g ：1 8 8 0 m h z 2 1 2 5 m h z ，每个频段都是2 0 0 k 频道。因 此对于无源互调测试系统来说，需要设计频率源与之对应，以g s m 8 0 0 频段为 例，对振荡器的设计指标要求如下： 频率范围：8 2 5 m h z 9 6 0 m h z ； 输出功率t 0 d b m ； 跳频间隔：2 0 0 k h z ： 相位噪声： l ，则表示该二端口网络是绝对稳定的，即负载和源在普通s m i t h 圆图内的任意变化不会造成系统的不稳定，因此对于振荡器而言，负阻的产生等 效于稳定性系数k l ，谐振网络负载的反射系数r 工与f 删的关系为： 驴黼 ( 3 1 6 ) 由于任意阻抗下整个电路都是呈现负阻的，因此在设计上选取终端负载为 5 0 t 2 ，这样只需考虑源处的s 参数情况，得到输入端的阻抗和相位值，再通过 设计一个与之匹配的振荡回路，即可完成对振荡器的设计。 一般而言，若满足振荡条件，放大器输入端的阻抗和谐振回路的阻抗需满足 1 8 第三章发射系统射频组件的设计 如下关系： x l ( ) = 一( ) ( 3 1 7 a ) ：掣 ( 3 1 7 b ) a d s 提供7 8 1 曼强大的振荡器设计工具：o s c t e s t ，以及全面的振荡器瞬态时 域仿真。o s c t e s t 的功能是对整个振荡器的闭环进行增益和相位计算，寻找出电 路在哪个频点上满足以上条件，为进一步设计提供初始参考。图3 9 是7 0 0 m h z - 1 g h z 的振荡器电路在终端5 0 q 的条件下的阻抗值，图3 1 l 是加入串联谐振网 络之后的振荡器电路，图3 1 0 给出了o s c t e s t 仿真结果，从图中可以看到，当 变容管容值为6 p f 时，整个电路的谐振频率在8 0 0 m h z 左右，谐振网路的元件 采用的是理想化元件模型。 f r c q z i n l 7 0 0 0m h z1 1 9 8 17 ，1 6 0 1 1 5 8 0 00m h z7 7 5 2 2 ，1 6 52 9 1 9 0 00 m h z 4 9 7 8 7 ，1 6 9 5 0 9 1 0 0 0g h z3 1 0 6 6 ，17 4 17 7 图3 9 终端5 0 q 的条件下的输入阻抗 图3 1 0 理想振荡器电路 1 9 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 董蓍 a 仃e q g h z 图3 1 1o s c t e s t 仿真结果 将谐振网路元件全部替换为实际元件( 电感参考空心电感的参数取q = 5 0 ) ， 并加入微带线等模型，就得到了整个v c o 的电路模型，如图3 1 2 所示。图3 1 3 是对整个电路进行瞬态时域仿真，从仿真结果可以看出，该电路的振荡频率为 7 9 3 m h z - 1 0 5 g h z ，覆盖了g s m 整个频段，满足互调测试系统的使用要求。 图3 1 2 实际v c o 电路模型 第三章发射系统射频组件的设计 m 3 f f e q = 7 9 2 8 m h z l m a g ( s s ) = 1 5 5 6 lm 3 m 3 f f e q = 1 0 5 1g h z l m a g ( s s ) = 1 3 6 7 l m 3 - 1 - 1 图3 1 3 a 调谐电压0 v 输出频率图3 1 3 b 调谐电压5 v 输出频率 其中变容管b b l 4 5 的s p i c e 模型由图3 1 4 给出： 图3 1 4 变容管b b l 4 5 的非线性s p i c e 模型 3 2 无源合路系统的设计 3 2 1 合路器的基本原理 分合路器，双工器从根本上说仍然是滤波器的实现形式，唯一的区别在于分 合路器具有一个公共的输入输出端口，因此在对分合路系统的设计上，仍然采 用滤波器的设计方法。 滤波器是在通信系统中通过或者截止信号的选频器件，可利用它将频率分开 或者组合起来，尤其是在变频，多频系统中应用广泛i l9 1 。在无源互调测试系统 中，分合路器的主要作用是将发射和接收频段挑选出来，并且使需要的信号通过。 根据选频特性的不同，可以将滤波器分为高通，低通，带通，带阻四个种类，其 2 l 一 ：一 岬一 黧罱 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 选频特性曲线由图3 1 5 a 3 1 5 d 表示。其中，滤波器的综合原型采取的是低通原 型。 3 1 5 a 高通滤波器3 1 5 b 低通滤波器 3 1 5 c 带通滤波器3 1 5 d 带阻滤波器 滤波器的实现种类有很多，例如集总元件滤波器，微带线滤波器，同轴谐振 腔滤波器，波导滤波器等。不同实现形式滤波器的相关特性由表3 3 列出。在无 源互调测试系统中对分合路器的要求是选频特性好，损耗小，功率容量大，而且 自身p i m 值低，因此综合成本和指标要求，采取同轴谐振腔形式的滤波器结构。 实现形式适用频率体积通带损耗成本 集总元件滤波器5 g h z 以下小一般较大低 微带线滤波器i g h z 左右十几g h z小视基板材料而定中高 同轴腔体滤波器几十m h z 几十g h z大小高 波带滤波器几g h z 几百g h z大小高 表3 3 不同滤波器实现形式比较 滤波器的设计基础是滤波器的数学综合，根据频率响应逼近函数的不同，滤 波器可以分为巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器( i 类和z ，类) ，椭圆函数滤波 第三章发射系统射频组件的设计 ：= 末：e 芒二褊二曲 n 埘 c = 。9 9 。 + s c 。s h 2 刀c 。s h 。1 ( 车 ) ：曲 。j 1 。 安徽大学硕士论文：无源互调测试系统射频组件的设计 其中l ( q ) 是切比雪夫多项式，s = 1 0 、10 - 1 ，是通带内衰减最大值。刀电 路中的电抗元件个数，刀是偶数的时候，频率响应内为0 的频点有丹2 个，若行 为奇数的时候，频率响应内为0 的频点有( 刀+ 1 ) 2 个。切比雪夫的衰减特性比巴 特沃斯滤波器提高2 2 4 倍，图3 1 6 是切比雪夫和巴特沃斯通阻带特征曲线， 方格线是切比雪夫低通响应，三角线是巴特沃斯低通响应。可以看到，切比雪夫 通阻带特性更陡峭一些。 图3 1 6 不同多项式通阻带特征曲线 低通滤波器等效电路见图3 1 7 ，其中邑是电抗元件归一化参数。取q = q 为相对于角频率q 的归一化频率，对于高、低通滤波器而言，婢是截止频率： 带通、带阻滤波器，婢是中心频率。从低通原型向带通原型变换的关系为： g 、9 3g s 二二二pn+ 图3 1 71 氐通滤波器等效电