可重构振荡器与双频滤波器的协同设计

摘  要：  关键词： 协同设计；可重构振荡器；双频滤波器；相位噪声
       随着无线通信的迅猛发展，对于多标准多波段的硬件设备需求越来越多，从而激发了基于可重构思想硬件的研发。其中重要的课题之一就是可重构振荡器。文献[1]中采用了螺旋电感结构，通过控制电感线圈匝数来控制接入电路的电感值的大小，进而实现频率的变化；文献[2]通过MOS开关管控制电路中电感值和电容值，进而起到频率重构作用；文献[3]中采用了一种新型结构将两谐振电路通过共用变容管结合在一起，从而使振荡器可以同时输出两种不同频率的波形；文献[4]提出了一种新颖的可重构电路，其中运用了一种有源电感电路，能够调节电路中的总电感，达到多频率的效果；文献[5]采用一种四阶谐振电路产生双频振荡波形，通过输出端的带通滤波器分别输出不同频率的波形。
     在上面这些电路中，由于支路的增加或一些特殊结构的运用，都不同程度地对振荡器的相位噪声和谐波产生一定的影响。本文实现了一种协同设计模块，在传统的开关控制可重构振荡器的基础上，通过振荡器与双频滤波器协同设计，缓解了开关装置对振荡器输出相位噪声的影响，同时，对谐波抑制也能起到较好的效果。所实现的模块在频偏1 MHz处，相位噪声改善了15 dBc/Hz，对二次谐波的抑制在两个频率上分别提高了-19 dB和-45 dB。
1 振荡器和滤波器的实现
1.1 可重构振荡器
     可重构振荡器的电路结构如图1所示，电路采用共基极结构，晶体管基极通过电感接地，在发射极端口产生一个负的输入阻抗，即实现负阻，再由L、C组成谐振电路。D为PIN开关管，其通断可以实现振荡器选频。当电源S为低电压时，D断开，电容C由于二极管的截止而没有接入到谐振电路中，此时得到中心频率为2.0 GHz的振荡波形；当电源S为高电压时，D导通，这样电容C通过二极管接入到谐振网络中，此时得到中心频率为1.1 GHz的振荡波形，这样实现了振荡器的频率可重构。电阻R1、R2、R3和高频扼流圈为晶体管T提供偏压，保证晶体管正常工作，电阻R5和高频扼流圈L1、L2为开关管D的偏置，C3、C4为隔直电容。
   
   1.2 双频段滤波器
     双频滤波器的结构如图2所示，滤波器结构采用阶跃阻抗(SIR)结构[6]，由于阶梯阻抗谐振器有多个谐振频率，通过选择合适的阻抗比就可以同时在两个中心频率间产生可调的通带。其谐振条件由式(1)给出。
   
   
   
2 振荡器和双频滤波器的协同设计及测试结果
     为了使振荡器和滤波器结合起来能使相位噪声、二次谐波抑制达到最佳效果，调整R4和Z0的阻抗，达到输出匹配状态。振荡器和滤波器电路板都采用FR-4介质板进行设计和制作。在振荡器电路中，晶体管采用的是HP公司生产的AT41411，选用的二极管型号为HSMP-389Z，其中基极电感L4为2 nH，C2和C1分别为0.5 pF和10 pF，R4为50 Ω标准输出负载。实物如图3。
   
       滤波器的频率为1.1 GHz和2.0 GHz，通过计算及优化确定各个参数值，见图2，其中W1=0.4 mm、W2=1.2 mm、W3=0.96 mm为平行耦合线线宽；S1=0.25 mm、S2=0.34 mm、S3=0.57 mm为间隙宽；L1=28.9 mm、L2=23 mm、L3=28.6 mm为耦合长度；W4=2.57 mm、L4=30.46 mm为非耦合微带线的宽度和长度。图4给出了双频滤波器的测试结果。
   
   
     图5、图6为协同设计前后、工作频率分别为1.1 GHz和2.0 GHz时振荡器输出信号频谱的测试结果。可以看出，在频率1.1 GHz时协同设计前对二次谐波抑制为-25 dB，协同设计后对二次谐波抑制为-44 dB，在频率2.0 GHz时由协同设计前对二次谐波抑制为-10 dB改善为-55 dB。同时可以看出，在协同设计之后，对输出功率没明显恶化，对二次谐波及高次谐波的抑制起到了很明显的作用。图7是协同设计前后振荡器相位噪声的测试结果，可以看出在频偏范围100 kHz～3 MHz内，协同设计后的相位噪声有了很明显的改善，频偏1 MHz振荡器在两个频率上的相位噪声都改善了将近15 dB。表1给出了振荡器在协同设计前后的各个参数的测试值。
   
   
   
       本文提出了一种新型的协同设计思想，将可重构振荡器与双频滤波器协同设计，缓解了开关装置等对振荡器输出相位噪声的影响，并进而改善二次谐波抑制。

参考文献
[1] KAO H L，YANG D Y，CHIN A，et al.A 2.4/5 GHz  dual-band VCO using a variable inductor and switched resonator.IEEE Microwave Symposium，2007：1533-1536.
[2] SHIBATA K，SATO H，ISHIHARA N.A dynamic GHz band switching technique for RF CMOS VCO.IEEE Silicon  Monolithic Integrated Circuits in RF Systems，2007：273-276.
[3] LEE J Y，LEE S H，BAE H C，et al.A concurrent dualband VCO with dual resonance in single resonator.IEEE  Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems，2007：135-138.
[4] MUKHOPADHYAY R，PARK Y，SEN P，et al.Reconfig-urable RFICs for frequency-agile VCOs in Si-based technology for multi-standard applications.IEEE Microwave  Symposium Digest，2004 IEEE MTT-S International，2006：1489-1492.
[5] BAVISI A，SUNDARAM V，SWAMINATHAN M，et al. Design of a dual frequency oscillator for simultaneous  multi-band radio communication on a multi-layer liquid  crystalline polymer substrate.IEEE Radio and Wireless  Symposium，2006：431-434.
[6] MAKIMOTO M，YAMASHITA S.Bandpass filters using parallel coupled strip-line stepped impedance resonators.IEEE Microwave symposium Digest，1980：141-143.