面向下一代移动通信系统的多通道射频收发信机以及频率源的研究

摘要

目前，随着在线视频和游戏，社交网络应用类软件以及移动支付等新兴网络服务的兴起，消费者对于手机等无线终端设备的依赖性也越来越强，与此同时，广大运营商也很重视这方面产业的发展。为了满足现有市场的需求以及其今后的发展，未来的移动通信必将沿着“更高效率”，“更快速率”和“更加智能”这三个主要发展方向大步迈进。
　　针对未来移动通信系统的发展趋势，本论文开展了基于分布式光纤拉远技术(RoF)的有源一体化天线的研究，具有“高集成度”和“高效率”的优点。在高频段和毫米波频段开展了超宽带移动通信射频前端技术的研究，支持更大的信道带宽和大规模MIMO的应用，可实现“更快的传输速率”，解决了其中多个关键的技术和设计难题，如高频段紧凑结构的高性能宽带多通道射频收发模块技术、高性能滤波器和双工器技术、超低相位噪声VCO和频率合成器技术等。研制的射频模块和系统均已成功地在下一代移动通信实验系统中得到应用，获得很好的性能。
　　综上，本论文的主要研究内容和创新包括如下几个方向:
　　1)针对未来移动通信的高集成度，高性能和高效率等要求，结合国家科技重大专项课题“高效节能的有源一体化天线”，开展了针对于分布式组网和光纤拉远等新型移动网络的RoF射频子系统的研究。该射频子系统工作在2.6 GHz频道上，信道带宽达到100 MHz，最大支持8×8的MIMO传输模式，具有结构紧凑，射频性能指标好，效率高等特点，能够方便地用于有源一体化天线系统中。该射频子系统在北京清华大学和普天科技有限公司完成了系统联调和测试任务，并成功连入普天公司的IMT-Advanced实验网，顺利地完成了专项课题验收。
　　2)针对未来移动通信会向更高的工作频段和更多射频通道发展的方向，本论文研究设计了一套X波段的双通道接收机和一套Ku波段的多通道变频模块。其中X波段双通道接收机工作带宽800 MHz，接收链路的最大噪声系数小于1.8dB，最大增益约为90 dB，通带内增益波动约为2.1 dB。增益可控范围约为60 dB，输入1 dB压缩点优于-30 dBm。Ku波段多通道变频模块则包括了可以同时支持4个接收的下变频通道以及可以支持多通道校准使用的一发一收两个校准通道。该模块工作频段设计在16～18GHz，射频带宽40 MHz，4个接收下变频通道之间的一致性较好，通道之间的增益一致性优于1 dB，带内增益波动小于0.8 dB，带外干扰抑制优于50 dB，带外杂散功率小于-70 dBm。发射链路带内增益波动优于1.5dB，带外杂散优于-52dBc。完成的变频模块体积较小，实现了多通道模块设计小型化的目的，可以很好的应用于面向下一代移动通信的大规模MIMO系统中。
　　3)面对下一代移动通信系统向更高频段发展的趋势，本论文利用基片集成波导技术的低损耗，低辐射，高隔离度和易与平面电路集成等优点，结合实际应用，首次提出了一种基于SIW高次模实现的点频振荡器，并进一步在此基础上通过在反馈回路中加入移相器改进设计了压控振荡器。设计完成的X波段振荡器电路利用反馈环路中作为稳频器件的SIW双模圆腔特有的频率响应特点，在其上边带附近利用较大的群延时峰值大大改善了振荡器的相位噪声性能，单频点振荡器的相位噪声在偏离载波1 MHz处达到了-135.5 dBc/Hz，对应的FOM值达到了-206.2 dBc/Hz，性能良好。在此基础上通过在反馈回路中加入移相器改进设计完成的压控振荡器调谐范围约为1.3％，调谐范围内的相位噪声在偏离载波1 MHz处约为-123 dBc/Hz至-130 dBc/Hz。此外，本论文还针对SIW双模圆腔结构做了研究，分析了腔体中双模耦合的工作机理，并进一步通过在腔体中引入一个金属化通孔作为微扰，使得原双模圆腔的上边带传输零点可控。基于该理论分析，在28 GHz频段上设计完成了一个准椭圆滤波器和一个双工器并给出了其设计方法，得益于该双模圆腔引入的传输零点，测试结果显示其带外抑制性能良好。
　　4)针对毫米波超高速通信系统的需求，结合国家科技重大专项课题，本论文开展了针对其中所需的超低相位噪声的频率综合器的研究。论文首先简单介绍了频率合成器的组成并分析了相位噪声对射频系统性能的影响。然后提出并设计完成了两套基于数字锁相环的Ku波段频率合成器，实测相位噪声在偏离载波10kHz和1MHz处分别达到了-103 dBc/Hz和-123.6dBc/Hz，性能达到了设计需求，并已作为频率合成器模块成功应用在相应的多个课题项目中。为了能够适应下一代移动通信系统的设计需求，进一步改善其相位噪声性能，本论文分析了使用传统设计方案导致相位噪声恶化的原因，并在此基础上提出了采用数字锁相环和模拟锁相环相结合的方案，在Ku波段上设计完成了一个新的频率合成器模块。其中利用取样鉴相器构成的模拟锁相环实现较高频率的点频信号输出，并和数字锁相环实现的低频信号通过混频的方式得到高质量本振信号源，实测相位噪声在中心频率处偏离载波1 kHz，10 kHz，100 kHz和1 MHz时分别达到了-112.2 dBc/Hz，-120.7 dBc/Hz，-117.1 dBc/Hz和-136.4 dBc/Hz。实测结果证明该方案能够在较高频段上获得较低的相位噪声，可以很好的应用在面向5G通信的毫米波移动通信系统中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 相关内容及研究现状

1．2．1 面向下一代移动通信的射频子系统研究现状

1．2．2 基于基片集成波导技术的振荡器及滤波器研究现状

1．2．3 面向5G通信系统的频率合成模块研究现状

1．3 本文的主要工作及撰写安排

参考文献

第二章 用于分布式无线组网技术的RoF射频子系统的研究

2．1 研究背景

2．2 系统指标要求

2．3 系统架构分析

2．4 系统设计与仿真

2．4．1 射频收发信机

2．4．2 光电转换模块

2．5 系统测试结果

2．5．2 发射链路测试结果

2．5．3 接收链路测试结果

2．5．4 射频子系统的整机测试结果

2．5．5 射频子系统的系统测试结果

2．6 本章小结

参考文献

第三章 基于基片集成波导技术的多通道射频模块的研究

3．1 研究背景

3．2 X波段双通道接收机

3．2．1 系统指标要求

3．2．2 系统架构分析

3．2．3 系统设计与仿真

3．2．4 系统测试结果

3．3 Ku波段多通道变频模块

3．3．1 系统设计与指标要求

3．3．2 系统架构分析

3．3．3 系统设计与仿真

3．3．4 系统测试结果

3．4 本章小结

参考文献

第四章 基于基片集成波导技术的振荡器和滤波器的研究

4．1 研究背景

4．2 基于基片集成波导双模元件的振荡器设计

4．2．1 振荡器原理

4．2．2 振荡器发展状况和本设计目的

4．2．3 基于双模圆腔的振荡器分析

4．2．4 电路设计

4．2．5 测试结果

4．3 基于基片集成波导双模元件的压控振荡器设计

4．3．1 设计目的

4．3．2 设计分析

4．3．3 电路设计

4．3．4 测试结果

4．4 基于基片集成波导双模元件的滤波器设计

4．4．1 目前发展状况

4．4．2 设计目的

4．4．3 理论分析

4．4．4 滤波器和双工器设计

4．4．5 测试结果

4．5 本章小结

参考文献

第五章 面向5G通信技术的频率合成器研究

5．1 研究背景

5．2 频率综合器研究状况

5．3．1 锁相环基本组成及模型分析

5．3．2 锁相环性能分析

5．3．3 相位噪声对系统性能的影响

5．4 系统参考源的设计

5．4．1 恒温晶振性能

5．4．2 锁相环电路设计

5．4．3 时钟分配

5．5 采用单片集成VCO+PLL的频率合成器设计方案

5．5．1 电路设计与分析

5．5．2 有源环路滤波器设计

5．5．3 辅助电路和结构

5．5．4 实物及测试结果

5．6 采用独立VCO和PLL的频率合成器设计方案

5．6．1 电路设计与分析

5．6．2 实物及测试结果

5．7 采用混频的频率合成器设计方案

5．7．1 低频VCO设计

5．7．2 10GHz锁相点频源设计

5．7．3 参考信号放大电路设计

5．7．4 混频模块设计

5．7．5 测试结果

5．8 本章小结

参考文献

结论与展望

作者简介

致谢