基于锁相环频率合成技术进行5G 移动通信系统研究

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描述

新一代移动通信标准致力于大幅提高数据传输速率,大规模MIMO 是5G 通信的关键技术之一,具有广阔的研究前景。在大规模MIMO 应用场景下,利用数百根天线阵列使大量的终端用户同时共享频率资源,系统中存在多路收发信道,需要多路本振信号,对本振有了些额外的要求,因此本振系统的研究成为关键之一,设计是一个难点。如果本振与收发电路设计在一块电路板上,会加重本振泄露、射频串扰等问题,针对大规模MIMO 系统的多通道设计,还会明显的增加电路板图尺寸与器件成本,为了提高性能、降低成本,我们研究外置的本振系统。本设计采用并行分配输出16 路射频本振信号,使得本振输出通道之间的隔离度高,输出信号一致性良好、相位噪声性能优异,特别是相位的一致,对于大规模MIMO 技术做波束成型很有意义。

2 本振系统设计

本设计采用锁相环频率合成技术,PLL 是一个负反馈环路,是可以实现相位自动锁定的控制系统,其输出信号与参考信号相位同步,由图1 可知PLL 主要由鉴频鉴相器( PFD )、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成。

在环路带宽内,相位噪声主要取决于参考信号(REF)、分频器和PFD 的噪声,在环路带宽外,输出总的噪声主要取决于VCO 自身的噪声特性。

本设计采用ADI 公司的频率合成器ADF4113,为了得到更好的相位噪声特性,选用外置的VCO — Mini-Circuits 公司的ROS2536C-119+,它的频率输出范围和相位噪声均满足我们的要求。在PLL 的设计中,为了获得稳定的VCO 凋谐电压,LPF 起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止VCO 调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰等重要作用,是PLL 设计与调试的关键,本设计选用4 阶低通滤波器,设计为25kHz 环路带宽。

较小的环路带宽能有效抑制杂散,抑制本振近端的相位噪声,但同时会增加锁相环的锁定时间,并且环路带宽外的相位噪声也有一定程度的恶化。值得注意的是,当环路带宽过大达到鉴相频率的1/10~1/5 时,锁相环会出现失锁现象。另外,当分频系数增加、鉴相频率降低时,近端相位噪声将会大大增加,因此减小分频系数、提高鉴相频率也是改善相位噪声特性的方法之一。

功率分配器可将信号功率按照一定比例分配为几路信号,设计功分器首先要明确频率范围、功率容量、损耗以及隔离度等。多路等分Wilkinson 功分器有两种实现的思路, 第一种方案是根据Wilkinson 提出的N 路功分器方案[1],直接将一路
输入分成多路输出,在输出端跨接隔离电阻。这种方案在微带结构中并没有得到广泛的应用,因为隔离电阻需要跨接,这在平面电路形式制作上产生困难。第二种方案是采用阶梯式多节结构,即将二等分Wilkinson 功分器串接在一起分成2n 路输出。为了得到更好的隔离效果,本设计功分器采用二等分Wilkinson 功分器级联形式实现16 路分配。在版图设计中,重点对λ / 4微带线的形状、与50Ω特性阻抗线连接处的过渡进行了优化,实际上50Ω隔离电阻的位置也影响功分器的隔离度。

为了保证最后的输出功率满足系统需要,在功分网络中加入了低噪声放大器(LNA)增大输出功率以满足需求,LNA 按照最佳噪声匹配设计,并且需要在全频段上考虑放大器的稳定性问题。

3 测试结果与实物图

该本振系统实现了16 路本振信号等功率输出,实测结果相位噪声小,功分器输出端口间隔离度高。我们使用频谱分析仪(Agilent TechnologiesN9020A MXA)对频率源的相位噪声做了测量,参考频率源使用仪器自带的10MHz,直流稳压源采用Agilent U8001A。

根据上面的四张实测结果图,可知频率源的相位噪声特性比较乐观,如果在电源处理上更加细致,可以进一步改善相位噪声指标。考虑到测试接的半截电缆线损,实际输出的功率约为-3dBm。实测LNA 的增益稳定在13.5dB 左右,四级功分插损约13.5dB,基本与LNA 的增益抵消,因此输出端的信号功率约为-3dBm。

我们还用矢量网络分析仪( AgilentTechnologies N5230A PNA-L)对功分网络进行了测量,图10 为输入端的一分四功分网络实测结果,图11 为输出端的一分四功分网络实测结果。

测试方法为将输出端与后级隔开,并将三个输出端接50 欧姆负载到地,测试输入端与其中一个输出端的网络特性,由测试结果可知输入反射较小,插入损耗也让人满意,输出端的反射也较小。

为将输入端与前级隔开并接50 欧姆负载到地,选择任意两个端口接50 欧姆负载到地,测试另外两个端口的网络特性,上图所示为测试最差的一组结果,但是输出端口的隔离度仍然非常高,在大规模MIMO 中,本振之间的隔离度直接影响了通道直接的干扰程度。

4 结论

本论文对本振几个关键指标进行了细致的考虑,重点部分在于降低频率源的相位噪声,提高功率分配器网络输出端口间的隔离度,保证输出信号的一致性良好。如果在收发射频板上设计4 路功分器或者8 路功分器,必要时配合低噪声放大器提高功率,可以满足64、128 路甚至更多路数的大规模MIMO 系统对本振的要求。

参考文献
[1] Wilkinson E. An N-Way Hybrid Power Divider[J]. Microwave Theory and Techniques, IRE Transactions on, 1960, 8(1):116–118.
[2] Wu Y, Liu Y, Xue Q, et al. Analytical design method of multiway dual-band planar power dividers with arbitrary power division[J].
Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 2010, 58(12): 3832-3841.
[3] Sironen M, Qian Y, Itoh T. A subharmonic self-oscillating mixer with integrated antenna for 60-GHz wireless applications[J].
Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 2001, 49(3): 442-450.

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