多载波射频信号源技术

摘要 设计了九通道的射频合成信号，构成了多频段的射频信号源。利用频率合成器和中频调制芯片，能够将基带或中频的信号直接调制到射频。最后将九路射频信号耦合成一路，构成多频段的射频信号源。
关键词 频率合成；中频调制；信号耦合

    频率源的设计和实现是无线通信系统设计中较为关键的一个环节，它的性能直接影响和决定通信系统的性能，在射频发射和接收系统中处于核心位置。文中频率源使用Si4133芯片设计，该芯片外围电路少，各项参数能够满足设计要求。同时使用TRF3701芯片合成基带和本振信号，使发射信号的功率得到较大提高。多路信号通过功率耦合芯片实现了耦合，最终合成、实现了多载波的射频信号。

1 数字锁相环
    (1)Si4133工作原理。
    Si4133芯片的功能是实现频率的合成，它的内部结构框图如图1所示。该芯片有三路锁相环路，每路锁相环路包括环路滤波器、相位检测器、可编程分频器和VCO。

    自该芯片的XIN管脚输入一个频率fin，经过一个放大器和R分频器以后，频率变为fin／R；同一时刻，fout作为该路VCO的输出端频率，通过N分频器，频率变为fout／N；在相位检测器中两个频率通过相位的比较，形成一个误差控制信号，进一步通过环路滤波器获得一个直流分量，从VCO端输入，通过调整实现fout／N≈fin／R，并且相位同步，最终完成两路信号的锁定。由fout=fin×N／R可知，影响输出信号频率的因素是R和N。VCO的谐振频率由外部所接电感决定，误差控制。
    三路锁相环路中有两路用作射频输出，利用时分复用技术，使两路输出在时间上彻底分开。通过对分频器编程可以使两路射频输出信号工作在两个特定的频段947MHz～1．72GHz和780MHz～1.429 GHz。三路锁相环路的第三路用作中频信号的频率合成，中频信号VCO的谐振频率在526～952MHz范围内可调。
    (2)频率设置与测试结果。
    锁相环路在VCO谐振频率范围内调节RF和IF的输出频率，外部电感对VCO谐振频率的调节起着关键作用，它允许的误差范围是，自调节算法可以补偿这一误差。电感的量级是nH，所以封装电感不能忽略，VCO的总电感Ltot应该等于封装电感Lpkg和外部电感Lext相加，电容Cnom和总电感并联，是一个标称电容。谐振频率计算公式为
   
    设计中需要的射频信号频率范围RF1：1．8～2．0 GHz，RF2：0．8～1 GHz。经过计算，Lext1几乎为0，Lext2：3～5．9 nH。
    输出频率在1．8～2．0 GHz范围内，通常采用RF1-R分频值设置；输出频率在0．8～1．0 GHz范围内，通常采用RF2-R分频值设置。下面两个图是两个典型频率点的测试结果，其中，0．8 GHz是RF2输出，如图2所示，2．0 GHz是RF1输出，如图3所示。

2 模拟正交调制器
    (1)TRF3701工作原理。
    TRF3701芯片内部有个模拟组合器，可以实现输出RF信号的实数和虚数分量相加。内部调制器由双平衡混频器实现，内部本振使用单端LO输入，减少外部巴伦的消耗。该芯片利用双平衡混频器结构实现直接I、Q调制，I、Q信号可以是单端输入，也可以是差分输入。4个输入端(IVIN，IREF，QVIN，QREF)需要外加一个直流信号，典型值3．7 V。输入信号经过一对差分放大器和一个电压／电流转换器进入双平衡混频器，交流耦合的本振输人信号通过一个相位转换提供同相和正交分量。混频器的输出信号相加转化为单端信号，经过放大在射频端输出。
    (2)测试结果。
    在本振频率fo=920 MHz下，两种不同的基带信号加在TRF3701芯片上的测试结果。GSM信号，如图4所示；CDMA信号，如图5所示。

3 功率合成器
    功率源对输出功率的要求较高，在毫米波段，必须使用功率合成技术获得比单路功率放大更高的功率。
    功率合成器在理想情况下，输出功率应该是作为输入的多路功率放大器的功率相加。但是功率合成器都有损耗，多路信号的幅度、相位可能不同，导致它的输出功率达不到理想值。为达到较为理想的效果，功率合成器的多路输入信号幅度和相位一致性必须很好，而且要求损耗小、有足够大的隔离度，使得多路输入信号互不影响。

4 原理图与PCB版图
    整个多载波射频信号源的设计原理图、PCB板图以及实物图分别如图6～图8所示。

5 结束语
    文中通过下载接口对9个通道的射频信号设置不同的本振频率，实现不同载渡的调制，最后通过功率合成到一路信号，实现多载波射频信号。