RFID技术中的LMDS射频单元锁相环式本振源设计
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2020-12-10
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RFID技术中的技术中的LMDS射频单元锁相环式本振源设计射频单元锁相环式本振源设计
摘要：介绍了一种微波波段的固定频率振荡器的系统设计方案、主要电路单元设计以及系统测试结果。采用分
频式锁相环技术设计VCO锁相点频源来获得高稳定度、低相位噪声的输出信号。在LMDS射频发收单元中，该
频率振荡器将作为一个提供11.776GHz稳定信号的本地振荡源。 关键词：本振源 锁相环 射频电路 本地多点分
配业务（LMDS）LMDS是一种较新的宽带无线接入技术，它以初期投资少、传输速率高、业务类型丰富，以及
非常适合在城市中高密度用户地区（如商业大楼）提供宽带通信服务等特点而备受业界瞩目。LMDS工作频段为
24GHz～29GHz，可扩展到10GHz～66GHz。这意味着需要毫米波收发系统。L
摘要：摘要：介绍了一种微波波段的固定频率振荡器的系统设计方案、主要电路单元设计以及系统测试结果。采用分频式锁相环技术
设计VCO锁相点频源来获得高稳定度、低相位噪声的输出信号。在LMDS射频发收单元中，该频率振荡器将作为一个提供
11.776GHz稳定信号的本地振荡源。
关键词：关键词：本振源 锁相环 射频电路 本地多点分配业务（LMDS）
LMDS是一种较新的宽带无线接入技术，它以初期投资少、传输速率高、业务类型丰富，以及非常适合在城市中高密度用
户地区（如商业大楼）提供宽带通信服务等特点而备受业界瞩目。LMDS工作频段为24GHz～29GHz，可扩展到10GHz～
66GHz。这意味着需要毫米波收发系统。LMDS射频系统毫米波收发单元的接收/发射次谐波混频器需要本地微波频率振荡源
提供稳定的本地参考振荡信号。
微波频率源是所有微波系统（如雷达、通讯、导航等）的基本微波能源。主要包括固定频率振荡器（点频振荡源）和微波频率
合成器两类。固定频率振荡器通常采用锁相环技术来获得高稳定度、低相位噪声的输出信号，在通讯系统和雷达系统中作为本
机振荡器得到最广泛的应用，其中包括VCO锁相点频源、DRO锁相点频源等。石英晶体震荡器是一种高稳定的频率源，但是
它们只能工作在几百兆赫范围内，不能达到设计要求。在微波频率；设计稳定的频率源通信用石英晶体振荡器输出信号经锁相
环技术N次倍频来实现。
本文介绍的频率振荡器为LMDS射频系统中的本地振荡源设计，要求输出信号固定频率点为11.776GHz，信号功率为1mW，
相位噪声指标（傅氏频率为1kHz时）为-75dBc/Hz。LMDS对本振源的精度要求较高，同时由于LMDS系统采取四相相移键控
（QPSK）调制方式，本振源的稳定度需要达到一定量级来满足低误码率的要求。利用分频式锁相倍频技术可以实现低成本、
高性能的微波信号发生器的设计要求。
1 分频式锁相环倍频原理分频式锁相环倍频原理
典型的分频式锁相环路包括检相器（PHD）、电压控制振荡器（VCO）、环路滤波器（LPF）和可编程数字分频器
（1/N）。图1是最简易的锁相式频率合成器的相位模型图。一个高精度稳定参考信号fi输入至检相器，与1/N分频后的电压振
荡信号fo/N检相，产生一个电平随两个信号之间的相位的偏差而变化的误差电压。经过滤波后误差信号作为电压控制振荡器的
控制电压，使得压控振荡器输出fo=Nfi。锁相环具有高稳定度，一旦完成相位锁定，环路将会无限时保持锁定状态。如果电压
控制振荡器频率发生偏移，就会导致控制电压发生变化，而这种变化又使得整个环路再重新回到锁定状态。同时由于分频式设
计，fo的抖动Δf经N次分频后到达检相器，也降低了对VCO的稳定性要求。通过改变分频器分频比，可以锁相倍频在不同的频
率上。分频锁相倍频具有诸多优点，在高频率微波信号发生器设计中广泛应用。
假定检相特性为正弦形，可求出锁相环路的开环传递函数、闭环传递函数，以及误差传输函数等。
环路闭环传输函数
误差传递函数又可写为：He(s)=1-H(s)
2 系统组成与设计系统组成与设计
2．1 系统总体设计方案
笔者采取对晶体振荡器输出参考信号直接一次锁相倍频获得高频信号，再对输出高频信号进行后续处理以达到设计要求的
方案。对方案电路结构简单、容易实现，获得的振荡信号稳定度高、相位噪声低，但是直接高倍频锁相增加了射频电路的复杂
性，电路匹配和电磁兼容性问题的解决也相应地更加复杂。
图图4
在该频率振荡器系统中，利用高稳定晶体振荡源输出信号经过中心频率为46MHz带通滤波器，提供一个高精确的稳定参考信
号至检相器，锁相环路分频计数器设置为128，达到锁相后VCO输出5.888GHz固定点频信号，再经过高频电路倍频获得
11.776GHz的二次谐波。由于采用的倍频器基波抑制性能较差，需要通过阻带滤波和功率放大获得足够功率的高稳定低相位
噪声的高纯度11.776GHz振荡信号。图2为整个频率振荡器系统的设计框架。
整个系统按照信号频率大致可以分为低频（锁相环电路）和高频（倍频放大电路）两个模块，锁相环电路的设计和测试是
系统仿真与设计的重点。虽然锁相环大部分元件频率较低，但是由于环路完成高倍数倍频，分频器输入信号和压控振荡器输出
信号为5.888GHz的高频信号，因此整个系统设计时要解决好高频信号电路的匹配和电磁兼容性问题，包括确保良好的屏蔽和
接地措施减少电路间的相互干扰；在避免耦合尽量减小导体长度的同时，使导体之间的距离尽可能地远；在电源接入处需设置
精致的旁路防止射频电流在电路间传播等。
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