基于锁相环频率合成技术进行5G 移动通信系统研究

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.