5G毫米波TR組件設計

2020-12-15 電子產品世界

　　陶長亞（1.電子信息測試技術安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 2330062.中國電子科技集團公司第41研究所，安徽 蚌埠 2330063.中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233006）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202005/413610.htm

　　摘 要：為了對5G毫米波通信信號進行測試，本文利用鎖相技術、混頻技術、濾波技術和功率控制技術設計出一種寬帶毫米波TR組件，經過實際測試，所有指標都達到了設計要求。並成功用於5G信號綜合測試儀中，實現了5G頻段24.25 GHz～30 GHz的通信信號測試。

　　關鍵詞：TR組件 5G 毫米波 本振源

　　基金項目：電子信息測試技術安徽省重點實驗室項目，由安徽省「三重一創」項目資助，國家科技重大專項（2017ZX03001020）

　　0 引言

　　對於TR組件的設計，已有很多人做了深入的研究[1-4]。但是對於5 G毫米波TR組件研製的文獻卻很少。5 G通信信號具有毫米波、大帶寬等的特點。為了對5 G信號進行測試，本文設計出一種5 G毫米波TR組件，並成功用於5 G信號綜合測試儀中，實現了5 G頻段24.25 GHz～30 GHz的通信信號測試。

　　1 方案設計

　　1.1 設計指標

　　頻率範圍：24.25 GHz～30 GHz

　　功率輸出範圍：-90 dBm～10 dBm

　　功率輸出步進：1 dB

　　調製帶寬：200 MHz

　　分析帶寬：200 MHz

　　1.2 設計方案

　　本設計方案的原理框圖如圖1所示。對於上行發射通道，中頻基帶模塊產生的0.25 GHz～6 GHz中頻基帶信號通過開關選擇，經過衰減、放大等功率調整與12 GHz點頻低相噪本振2次諧波混頻獲得24.25 GHz～30 GHz的5G通信頻段信號，經過濾波、功率調整後發射出去。對於下行接收通道，24.25 GHz～30 GHz的5 G通信信號功率調整後與12 GHz點頻低相噪本振2次諧波混頻獲得0.25 GHz～6 GHz的中頻信號，利用濾波器濾波後經功率調整、開關選擇送給中頻基帶模塊進行解調分析。

　　2 關鍵電路設計

　　2.1 通道設計

　　TR組件通道設計方案原理框圖如圖2、3所示。對於6 GHz以下5G頻段的0.25 GHz～6 GHz帶寬200 MHz上行發射信號，由中頻基帶模塊輸出給TR組件，本設計方案選用隔離度高達60 dB的開關HMC849選擇上行發射通道。經過衰減器A-0805-C-03DB和放大器FGB-1509A功率調整後輸入到混頻器的RF埠。TR組件中混頻器選用具有諧波混頻功能的諧波混頻器HMC264，射頻頻率範圍是21 GHz～31 GHz，本振頻率範圍是10.5 GHz～15.5 GHz，中頻頻率範圍是DC～6 GHz。選擇諧波混頻器可以使設計的本振頻率相對較低，本方案中本振源的頻率為12 GHz。6 GHz以下5G頻段的0.25 GHz～6 GHz帶寬200 MHz上行發射信號通過混頻獲得24.25 GHz～30 GHz帶寬200 MHz的毫米波頻段信號。利用腔體濾波器濾除無用的信號後輸入給高增益放大器HMC263進行功率放大。由於輸出功率範圍要求是-90 dBm～10 dBm，輸出功率步進是1 dB，所以上行發射通道數控衰減器選擇HGC242，每個衰減器最大衰減範圍是31.5 dB，衰減步進量是0.5 dB，採用4個器件級聯的方式實現-90 dBm～10 dBm功率輸出要求。為了避免上、下行信號相互影響，毫米波輸入、輸出埠使用環形器連接。對於下行接收通道，24.25 GHz～30 GHz帶寬200 MHz的毫米波頻段5 G信號由收發埠經環形器輸入給30 dB數控衰減器，通過衰減、放大等功率調整後與12 GHz點頻本振進行諧波混頻得到0.25 GHz～6 GHz中頻信號，利用6 GHz低通濾波器濾除本振、射頻及交調。使用開關選擇切換輸出給中頻基帶模塊進行信號解調分析。

　　2.2 本振源設計

　　本振源採用雙環鎖相方案，其原理框圖如圖4所示。

　　本振模塊為TR收、發模塊提供變頻所需的本振信號。5G毫米波TR組件的相噪指標主要取決於本振模塊，根據上、下行通道設計方案的要求，本振頻點確定為12 GHz。相位噪聲是-110 dBc/Hz@10 kHz。為了實現高本振低相噪，本振源方案採用雙環結構，輔助環提供8.8 GHz點頻用於混頻，利用基波混頻實現頻率向下搬移，減小主環由於倍頻效應帶來的相噪惡化。

　　主環的相位噪聲-110 dBc/Hz@10 kHz，輔助環的相位噪聲應滿足＜-113 dBc/Hz@10 kHz。為了滿足輔助環的相噪指標，本方案選用低相噪頻率合成器晶片HMC440作為輔助環整數分頻及鑑頻鑑相器。該器件的歸一化底噪為-233 dBc/Hz。假設鎖相環晶片的底噪對相位噪聲的影響起主導作用，環路帶寬內的相噪可以用下式進行估算 [5] 。

　　PN=PDnoisefloor+10logfPD+20log(fo/fPD) （1）

　　其中，PDnoisefloor表示鑑相器歸一化噪聲基底，PNfr表示鑑相頻率，fo表示鎖相環輸出頻率。

　　PN=-233+10log(100 × 106)+20log(8800/100)=-114dBc （2）

　　假設參考信號的底噪對相位噪聲的影響起主導作用，環路帶寬內的相噪可以用下面的公式進行估算

　　PN=PNfr+20log(fo/fPD) （3）

　　其中，PNfr表示參考信號的相噪。

　　PN=-160+20log(8800/100)=-121dBc （4）

　　根據上面的估算，相位噪聲完全能夠滿足設計指標。

　　採用100 MHz高鑑相頻率，設計三級不同帶寬的環路濾波器，使用三級環路濾波器級聯的方式對主環路中產生的相位噪聲、諧波、雜散等高頻分量進行濾波。

　　3 測試結果

　　根據本方案設計的5G毫米波TR組件經調試後安裝到5G信號綜合測試儀中並對其進行測試，所有指標都滿足設計要求。

　　4 結論

　　本方案利用鎖相技術、混頻技術、濾波技術和功率控制技術設計出一種寬帶毫米波TR組件，經過實際測試，所有指標都達到了設計要求。並成功用於5 G信號綜合測試儀中，實現了5G頻段24.25 GHz～30 GHz的通信信號測試，具有較好的應用價值。

　　參考文獻：

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

　　[2] 季帥，張慧鋒，嚴少敏，潘栓龍. 基於MCM技術的X波段四通道TR組件設計[J].火控雷達技術，2015,44 (2):73 -77.

　　[3] 祁華,張世文.L波段雙通道TR組件設計[J].現代導航,2018,4(2):119-123.

　　[4] 張志鴻. Ka波段TR部件的研究與設計.[碩士學位論文].成都.電子科技大學,2011.

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

　　（註：本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第06期第68頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。）

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