1、背景

振蕩器設計師現在被要求少花錢多做事，因為有更多的功能和頻段正被打包進諸如蜂窩電話和無線局域網(WLAN)設備等電子通信產品。下一代無線通信在理想情況下應具有足夠的頻率靈活性，以覆蓋多個頻段和眾多通信標準。這一點可以使用多個振蕩器實現，其中每個振蕩器有它自己的頻率調諧范圍。

另外一種方法是如同Synergy Microwave公司頻率源設計師發明的那樣，可以搭建一個單一可重構的并發振蕩器(RCO)，其頻率將覆蓋多個壓控振蕩器(VCO)。Synergy公司的RCO可以支持多個無線電頻段(圖1)。與單獨的振蕩器相比，這些RCO可以提供相當于獨立可調諧振蕩器的性能，而尺寸和功耗將有顯著減小，因而適用于多頻段、多模式的無線通信系統。

圖1:這種可重構并發振蕩器(RCO)可以產生多個信號用于多個無線電頻段

2、可調諧振蕩器設計的概述

無線通信硬件小型化方面的努力，已經催生出使用可調諧振蕩器(如VCO)的緊湊型無線電設計，它們可覆蓋許多不同的頻段。然而，可調諧振蕩器通常要在相位噪聲性能和功耗之間進行折衷。試圖開發具有低相位噪聲的多頻段VCO,經常會形成大體積大功耗的電路。有許多技術旨在為多頻段無線電設計提供緊湊的頻率源解決方案，包括在獨立VCO之間進行切換、使用聯動多頻電路或在多個諧振器之間進行切換。但它們不可避免地具有體積大、功耗高或相位噪聲性能差的缺點。

舉例來說，開關型諧振器就經常受到與開關相關的電阻性與電容性寄生電路元件的影響。通常使用模式切換功能在諧振電路的多種振蕩模式之間做出選擇，而選擇的依據是，使得開關的損耗和非線性不影響諧振器的穩態和相位噪聲性能。但這種方法不能并發產生信號，在取得頻率源尺寸、功耗和設計周期的縮小方面效果非常有限。傳統的頻帶選擇源通常采用多個諧振器、VCO或其它可調諧振蕩器，但任何頻段選擇開關都不可避免地會降低這類多頻段源的性能。

在Synergy Microwave公司的新方法中，多頻段信號是并發產生的，可根據需要隨時提供使用(圖2)。

圖2:當需要多個并發信號時，比如2.4GHz和4~8GHz范圍內的信號時，可以使用RCO源方法

這種新的振蕩器(圖1)使用更高階的多耦合型平面諧振器(MCPR)為不同頻段(和不同應用)同步產生不同的頻率。它工作時不需要倍頻器，也不需要在諧振器和/或振蕩器之間進行切換。與其它多重信號產生方法相比，這種方法可以減少復雜性、尺寸和功耗，并能獲得卓越的相位噪聲性能(圖3)。

圖3:多信號振蕩器方法可以在不犧牲相位性能的情況下減小功耗和尺寸

哪種通信設備可以從這種多信號源中獲益呢?無線局域網(WLAN)是家庭和辦公室環境中最流行的無線應用，它們一般工作在不同的頻段--特別是從2.4GHz至2.5GHz的工業-科學-醫療(ISM)頻段以及從5.15GHz至5.85GHz的各個頻段。可同時在兩個頻段內工作的WLAN無線電設備可以與可切換VCO一起工作，雖然更完整集成的多模無線電設計，應該會基于一個能夠同時覆蓋兩個頻段的單一信號源(比如RCO)工作。

3、多模無線電的原理

多模無線電的基本原理是，只使用一個發送/接收信號處理鏈同時處理兩個或更多個不同頻率的信號。圖4顯示了一個雙頻段、2.4GHz/5GHz WLAN收發器系統的頻率規劃。它利用頻率合成器中帶二分頻器的單個8GHz VCO產生4GHz信號，接著使用四分頻器獲得1GHz信號。這些同步(I)和正交(Q)信號在正交單邊帶(SSB)混頻器中混頻產生5GHz信號，然后再經過進一步分頻得到2.4GHz信號。

圖4:這種頻率規劃將從單個8GHz VCO產生多個WLAN信號

這種方法需要多個緩沖器、分頻器和濾波器電路，才能產生雙頻段WLAN無線電設備所需的信號。也可以從更低頻率的信號著手通過增加倍頻器來產生多個信號。但在使用正交頻率轉換器的情況下，倍頻很少用于最后一級頻率轉換，因為在更高的頻率處理差分輸出有很大的難度。

4、多模多頻振蕩器的硬件設計

傳統的單路輸出振蕩器產生的是周期性波形，這種波形實質上是一個基頻加上其諧波信號分量。基于更高階諧振器的可調諧振蕩器可以提供多種振蕩模式，并能單獨或同時產生多個獨立的頻率。

單輸出可調諧振蕩器是設計多頻段振蕩器的一個良好開端。單頻可調諧寬帶振蕩器利用經過變容二極管調諧的二階諧振器網絡來產生特定頻率的信號。它會采用一個有源器件(如雙極晶體管)與并聯或串聯的電感電容(LC)諧振調諧電路相端接。并聯LC諧振器網絡具有一個較大的并聯電阻(或反諧振)，而串聯LC諧振器網絡提供較小的串聯電阻(或諧振)。這種設計的性能將不可避免地受到晶體管能力、其封裝的電氣特性以及在寬頻范圍內調諧振蕩器所需的電容大范圍變化的限制。

多模多頻振蕩器要求的不只是一個簡單的并聯LC網絡和一個有源器件。可以產生兩個并發頻率的振蕩器電路，必須能夠在兩個截然不同的頻率點同時提供負的電阻值，更高階的諧振器就是用于這個目的。諧振器的階數取決于期望的不同頻率信號/頻段數量。雖然一個簡單的二階諧振器網絡只產生一個頻率，但一個四階諧振器網絡可以產生兩個并發的頻率。

設計這種振蕩器的技巧，是需要了解支持多個獨立頻段所需的負電阻值，這方面的信息可以通過執行網絡分析找到。這類分析可以形成圖1所示的多模多頻振蕩器設計。專利待批的多頻振蕩器采用基于超材料的四階諧振器(圖5)。

圖5:多頻振蕩器采用了基于超材料的更高階諧振器

帶高階(<2)諧振器的振蕩器，可以實現多個穩定的振蕩模式，并產生多個諧振頻率。借助合適的非線性有源電路拓撲和必要的諧振器元件值，更高階振蕩器可以提供多于一個的諧振頻率。例如，具有四階諧振器的可調諧振蕩器，可以單獨或同時產生兩個截然不同的頻率ω1和ω2(圖6)。這種振蕩器可以通過在振蕩器晶體管(比如雙極晶體管)基極綜合兩個不同值電感組裝而成，從而創造同時持續振蕩所需的條件。

圖6:帶四階諧振器的振蕩器可以產生多個同時輸出信號

5、多頻振蕩器的測試

為了驗證多頻振蕩器概念的有效性，這里組裝了一個原型用于產生兩個同步頻段。通過在雙極晶體管的基極使用兩個并聯二階諧振器，實現了振蕩器的四階諧振器(圖1)。RCO采用的版圖設計(圖7)，可以用標準集成電路(IC)技術制造。它使用了更高階的超材料諧振器完成多個并發頻率的操作，能橫跨兩個不同頻段(如2.45~2.65GHz和4.85~5.25GHz)調諧，與分開的開關型VCO相比，功耗和尺寸有顯著減小。

圖7:在雙頻振蕩器原型的制造中使用了這個版圖

直觀的感覺是，較低頻率振蕩范圍(2.45~2.65GHz)所需的電感值要比較高頻率模式(4.85~5.25GHz)時大。在商用計算機輔助工程(CAE)軟件的幫助下，可以對雙頻振蕩器的諸如相位噪聲等不同性能參數(圖8)進行仿真。通過在雙極晶體管基極的諧振器網絡上跨接調諧電容，可以綜合出要求的電感值，原理是調諧電容可以在感興趣的工作頻段上，提供晶體管發射極所需的負電阻和電抗(電感或電容)。

圖8:計算機輔助工程軟件工具在仿真雙頻振蕩器設計的性能參數時非常有用，比如這張相位噪聲性能圖

多模振蕩器中使用的濾波器有利于減輕模泄漏問題，比如振蕩器電路振蕩在雙模的時候。給定設計中的模泄漏量，取決于該部分電路的后續濾波器的頻譜選擇性以及振蕩器的設計要求。

6、結語

四階振蕩器的相位噪聲在只產生其諧振頻率之一時，與使用相同有源拓撲和諧振器品質因數(Q)的二階振蕩器的相位噪聲相當。

但與常用的開關型諧振振蕩器相比，四階振蕩器在VCO實現中有更好的相位噪聲性能和/或更高的調諧范圍。兩種載波范圍1MHz頻偏處的原型源相位噪聲測量值通常都好于-120dBc/Hz(圖9)。

圖9:原型源的相位噪聲在兩種調諧范圍1MHz偏移處的測量值通常都好于-120dBc/Hz

本方案所設計的多頻段振蕩器只需+5VDC和20mA偏置，并且在兩個頻段上均能提供+3dBm的典型輸出功率。對于多模多頻段無線設備而言，這種單一源也許能夠匹配許多傳統的VCO.經證實，本方案設計的多頻段振蕩器具有極強的應用價值。