5G毫米波TR組件設(shè)計(jì)

摘要：為了對(duì)5G毫米波通信信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，本文利用鎖相技術(shù)、混頻技術(shù)、濾波技術(shù)和功率控制技術(shù)設(shè)計(jì)出一種寬帶毫米波TR組件，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，所有指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。并成功用于5G信號(hào)綜合測(cè)試儀中，實(shí)現(xiàn)了5G頻段24.25 GHz～30 GHz的通信信號(hào)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：TR組件5G毫米波本振源

基金項(xiàng)目：電子信息測(cè)試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，由安徽省“三重一創(chuàng)”項(xiàng)目資助，國(guó)家科技重大專項(xiàng)（ 2017ZX03001020）

0 引言

對(duì)于TR組件的設(shè)計(jì)，已有很多人做了深入的研究[1-4]。但是對(duì)于5G毫米波TR組件研制的文獻(xiàn)卻很少。5G通信信號(hào)具有毫米波、大帶寬等的特點(diǎn)。為了對(duì)5G信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，本文設(shè)計(jì)出一種5G毫米波TR組件，并成功用于5G信號(hào)綜合測(cè)試儀中，實(shí)現(xiàn)了5G頻段24.25 GHz - 30 GHz的通信信號(hào)測(cè)試。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

頻率范圍：24.25 GHz - 30 GHz

功率輸出范圍：-90 dBm- 10 dBm

功率輸出步進(jìn)：1 dB

調(diào)制帶寬：200 MHz

分析帶寬：200 MHz

1.2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案的原理框圖如圖1所示。對(duì)于上行發(fā)射通道，中頻基帶模塊產(chǎn)生的0.25 GHz -6 GHz中頻基帶信號(hào)通過開關(guān)選擇，經(jīng)過衰減、放大等功率調(diào)整與12 GHz點(diǎn)頻低相噪本振2次諧波混頻獲得24.25 GHz -30 GHz的5G通信頻段信號(hào)，經(jīng)過濾波、功率調(diào)整后發(fā)射出去。對(duì)于下行接收通道，24.25 GHz - 30 GHz的5G通信信號(hào)功率調(diào)整后與12 GHz點(diǎn)頻低相噪本振2次諧波混頻獲得0.25 GHz -6 GHz的中頻信號(hào)，利用濾波器濾波后經(jīng)功率調(diào)整、開關(guān)選擇送給中頻基帶模塊進(jìn)行解調(diào)分析。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 通道設(shè)計(jì)

TR組件通道設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖2、3所示。對(duì)于6 GHz以下SG頻段的0.25 GHz -6 GHz帶寬200 MHz上行發(fā)射信號(hào)，由中頻基帶模塊輸出給TR組件，本設(shè)計(jì)方案選用隔離度高達(dá)60 dB的開關(guān)HMC849選擇上行發(fā)射通道。經(jīng)過衰減器A-0805-C-03DB和放大器FGB-1509A功率調(diào)整后輸入到混頻器的RF端口。TR組件中混頻器選用具有諧波混頻功能的諧波混頻器HMC264，射頻頻率范圍是21 GHz - 31 GHz，本振頻率范圍是10.5 GHz - 15.5 GHz，中頻頻率范圍是DC-6 GHz。選擇諧波混頻器可以使設(shè)計(jì)的本振頻率相對(duì)較低，本方案中本振源的頻率為12 GHz。6 GHz以下SG頻段的0.25 GHz -6 GHz帶寬200 MHz上行發(fā)射信號(hào)通過混頻獲得24.25 GHz - 30 GHz帶寬200 MHz的毫米波頻段信號(hào)。利用腔體濾波器濾除無用的信號(hào)后輸入給高增益放大器HMC263進(jìn)行功率放大。由于輸出功率范圍要求是-90 dBm - 10 dBm，輸出功率步進(jìn)是1 dB，所以上行發(fā)射通道數(shù)控衰減器選擇HGC242，每個(gè)衰減器最大衰減范圍是31.5 dB，衰減步進(jìn)量是0.5 dB，采用4個(gè)器件級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)-90 dBm- lO dBm功率輸出要求。為了避免上、下行信號(hào)相互影響，毫米波輸入、輸出端口使用環(huán)形器連接。對(duì)于下行接收通道，24.25 GHz -30 GHz帶寬200 MHz的毫米波頻段SG信號(hào)由收發(fā)端口經(jīng)環(huán)形器輸入給30 dB數(shù)控衰減器，通過衰減、放大等功率調(diào)整后與12 GHz點(diǎn)頻本振進(jìn)行諧波混頻得到0.25 GHz -6 GHz中頻信號(hào)，利用6 GHz低通濾波器濾除本振、射頻及交調(diào)。使用開關(guān)選擇切換輸出給中頻基帶模塊進(jìn)行信號(hào)解調(diào)分析。

2.2 本振源設(shè)計(jì)

本振源采用雙環(huán)鎖相方案，其原理框圖如圖4所示。

本振模塊為TR收、發(fā)模塊提供變頻所需的本振信號(hào)。5G毫米波TR組件的相噪指標(biāo)主要取決于本振模塊，根據(jù)上、下行通道設(shè)計(jì)方案的要求，本振頻點(diǎn)確定為12 GHz。相位噪聲是-110 dBc/Hz@IO kHz。為了實(shí)現(xiàn)高本振低相噪，本振源方案采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，輔助環(huán)提供8.8 GHz點(diǎn)頻用于混頻，利用基波混頻實(shí)現(xiàn)頻率向下搬移，減小主環(huán)由于倍頻效應(yīng)帶來的相噪惡化。

主環(huán)的相位噪聲-110 dBc/Hz@IO kHz，輔助環(huán)的相位噪聲應(yīng)滿足< -113 dBc/Hz@10 kHz。為了滿足輔助環(huán)的相噪指標(biāo)，本方案選用低相噪頻率合成器芯片HMC440作為輔助環(huán)整數(shù)分頻及鑒頻鑒相器。該器件的歸一化底噪為-233 dBc/Hz。假設(shè)鎖相環(huán)芯片的底噪對(duì)相位噪聲的影響起主導(dǎo)作用，環(huán)路帶寬內(nèi)的相噪可以用下式進(jìn)行估算[5]。

PN=PDnoisef[oor+ lOlogfPD+20log（fo/fPD）

（l）

其中，PDnoisefloor表示鑒相器歸一化噪聲基底，PNfr表示鑒相頻率，fo表示鎖相環(huán)輸出頻率。

PN=-233+lOlog（100×106）+20log（8800/100）=-114dBc

（2）

假設(shè)參考信號(hào)的底噪對(duì)相位噪聲的影響起主導(dǎo)作用，環(huán)路帶寬內(nèi)的相噪可以用下面的公式進(jìn)行估算

PN=PNfr+20log（fo/fPD）

（3）

其中，PNfr表示參考信號(hào)的相噪。

PN=-160+20log（8800/100）=-12ldBc

（4）

根據(jù)上面的估算，相位噪聲完全能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

采用100 MHz高鑒相頻率，設(shè)計(jì)三級(jí)不同帶寬的環(huán)路濾波器，使用三級(jí)環(huán)路濾波器級(jí)聯(lián)的方式對(duì)主環(huán)路中產(chǎn)生的相位噪聲、諧波、雜散等高頻分量進(jìn)行濾波。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)本方案設(shè)計(jì)的SG毫米波TR組件經(jīng)調(diào)試后安裝到5G信號(hào)綜合測(cè)試儀中并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，所有指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本方案利用鎖相技術(shù)、混頻技術(shù)、 濾波技術(shù)和功率控制技術(shù)設(shè)計(jì)出一種寬帶毫米波TR組件，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，所有指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。并成功用于5G信號(hào)綜合測(cè)試儀中，實(shí)現(xiàn)了5G頻段24.25 GHz - 30 GHz的通信信號(hào)測(cè)試，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃建，毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2011，51（2）：1-6.

[2]季帥，張慧鋒，嚴(yán)少敏，潘栓龍，基于MCM技術(shù)的X波段四通道TR組件設(shè)計(jì)[J]火控雷達(dá)技術(shù)，201 5，44 （2）：73 -77.

[3]祁華，張世文.L波段雙通道TR組件設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，201 8，4（2）：119-123.

[4]張志鴻.Ka波段TR部件的研究與設(shè)計(jì).[碩士學(xué)位論文].成都，電子科技大學(xué)，2011.

[5]周建，張玉興.Ku波段低相噪頻率源的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（23）：85-87.

作者簡(jiǎn)介：

陶長(zhǎng)亞（1975-），男，高級(jí)工程師。研究方向：通信測(cè)量?jī)x器的研究與開發(fā)。

通信地址：安徽省蚌埠市禹會(huì)區(qū)長(zhǎng)征路726號(hào)電子第41研究所研發(fā)一部