新一代移動通信標準致力于大幅提高數據傳輸速率，大規(guī)模MIMO 是5G 通信的關鍵技術之一，具有廣闊的研究前景。在大規(guī)模MIMO 應用場景下，利用數百根天線陣列使大量的終端用戶同時共享頻率資源，系統(tǒng)中存在多路收發(fā)信道，需要多路本振信號，對本振有了些額外的要求，因此本振系統(tǒng)的研究成為關鍵之一，設計是一個難點。如果本振與收發(fā)電路設計在一塊電路板上，會加重本振泄露、射頻串擾等問題，針對大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的多通道設計，還會明顯的增加電路板圖尺寸與器件成本，為了提高性能、降低成本，我們研究外置的本振系統(tǒng)。本設計采用并行分配輸出16 路射頻本振信號，使得本振輸出通道之間的隔離度高，輸出信號一致性良好、相位噪聲性能優(yōu)異，特別是相位的一致，對于大規(guī)模MIMO 技術做波束成型很有意義。

2 本振系統(tǒng)設計

本設計采用鎖相環(huán)頻率合成技術，PLL 是一個負反饋環(huán)路，是可以實現相位自動鎖定的控制系統(tǒng)，其輸出信號與參考信號相位同步，由圖1 可知PLL 主要由鑒頻鑒相器（ PFD ）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成。

在環(huán)路帶寬內，相位噪聲主要取決于參考信號（REF）、分頻器和PFD 的噪聲，在環(huán)路帶寬外，輸出總的噪聲主要取決于VCO 自身的噪聲特性。

本設計采用ADI 公司的頻率合成器ADF4113，為了得到更好的相位噪聲特性，選用外置的VCO — Mini-Circuits 公司的ROS2536C-119+，它的頻率輸出范圍和相位噪聲均滿足我們的要求。在PLL 的設計中，為了獲得穩(wěn)定的VCO 凋諧電壓，LPF 起到了維持環(huán)路穩(wěn)定性、控制環(huán)路帶內外噪聲、防止VCO 調諧電壓控制線上電壓突變、抑制參考邊帶雜散干擾等重要作用，是PLL 設計與調試的關鍵，本設計選用4 階低通濾波器，設計為25kHz 環(huán)路帶寬。

較小的環(huán)路帶寬能有效抑制雜散，抑制本振近端的相位噪聲，但同時會增加鎖相環(huán)的鎖定時間，并且環(huán)路帶寬外的相位噪聲也有一定程度的惡化。值得注意的是，當環(huán)路帶寬過大達到鑒相頻率的1/10~1/5 時，鎖相環(huán)會出現失鎖現象。另外，當分頻系數增加、鑒相頻率降低時，近端相位噪聲將會大大增加，因此減小分頻系數、提高鑒相頻率也是改善相位噪聲特性的方法之一。

功率分配器可將信號功率按照一定比例分配為幾路信號，設計功分器首先要明確頻率范圍、功率容量、損耗以及隔離度等。多路等分Wilkinson 功分器有兩種實現的思路， 第一種方案是根據Wilkinson 提出的N 路功分器方案[1]，直接將一路
輸入分成多路輸出，在輸出端跨接隔離電阻。這種方案在微帶結構中并沒有得到廣泛的應用，因為隔離電阻需要跨接，這在平面電路形式制作上產生困難。第二種方案是采用階梯式多節(jié)結構，即將二等分Wilkinson 功分器串接在一起分成2n 路輸出。為了得到更好的隔離效果，本設計功分器采用二等分Wilkinson 功分器級聯形式實現16 路分配。在版圖設計中，重點對λ / 4微帶線的形狀、與50Ω特性阻抗線連接處的過渡進行了優(yōu)化，實際上50Ω隔離電阻的位置也影響功分器的隔離度。

為了保證最后的輸出功率滿足系統(tǒng)需要，在功分網絡中加入了低噪聲放大器（LNA）增大輸出功率以滿足需求，LNA 按照最佳噪聲匹配設計，并且需要在全頻段上考慮放大器的穩(wěn)定性問題。

3 測試結果與實物圖

該本振系統(tǒng)實現了16 路本振信號等功率輸出，實測結果相位噪聲小，功分器輸出端口間隔離度高。我們使用頻譜分析儀（Agilent TechnologiesN9020A MXA）對頻率源的相位噪聲做了測量，參考頻率源使用儀器自帶的10MHz，直流穩(wěn)壓源采用Agilent U8001A。

根據上面的四張實測結果圖，可知頻率源的相位噪聲特性比較樂觀，如果在電源處理上更加細致，可以進一步改善相位噪聲指標?？紤]到測試接的半截電纜線損，實際輸出的功率約為-3dBm。實測LNA 的增益穩(wěn)定在13.5dB 左右，四級功分插損約13.5dB，基本與LNA 的增益抵消，因此輸出端的信號功率約為-3dBm。

我們還用矢量網絡分析儀（ AgilentTechnologies N5230A PNA-L）對功分網絡進行了測量，圖10 為輸入端的一分四功分網絡實測結果，圖11 為輸出端的一分四功分網絡實測結果。

測試方法為將輸出端與后級隔開，并將三個輸出端接50 歐姆負載到地，測試輸入端與其中一個輸出端的網絡特性，由測試結果可知輸入反射較小，插入損耗也讓人滿意，輸出端的反射也較小。

為將輸入端與前級隔開并接50 歐姆負載到地，選擇任意兩個端口接50 歐姆負載到地，測試另外兩個端口的網絡特性，上圖所示為測試最差的一組結果，但是輸出端口的隔離度仍然非常高，在大規(guī)模MIMO 中，本振之間的隔離度直接影響了通道直接的干擾程度。

4 結論

本論文對本振幾個關鍵指標進行了細致的考慮，重點部分在于降低頻率源的相位噪聲，提高功率分配器網絡輸出端口間的隔離度，保證輸出信號的一致性良好。如果在收發(fā)射頻板上設計4 路功分器或者8 路功分器，必要時配合低噪聲放大器提高功率，可以滿足64、128 路甚至更多路數的大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)對本振的要求。

參考文獻
[1] Wilkinson E. An N-Way Hybrid Power Divider[J]. Microwave Theory and Techniques, IRE Transactions on, 1960, 8(1):116–118.
[2] Wu Y, Liu Y, Xue Q, et al. Analytical design method of multiway dual-band planar power dividers with arbitrary power division[J].
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[3] Sironen M, Qian Y, Itoh T. A subharmonic self-oscillating mixer with integrated antenna for 60-GHz wireless applications[J].
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