本文重點介紹近些年微波電路設計取得的進步，這意味著現在采用硅芯片技術中的低相位噪聲 VCO 可以覆蓋一個倍頻程范圍。
多年來，微波頻率生成使工程師面臨嚴峻的挑戰，不僅需要對模擬、數字、射頻(RF)和微波電子有深入的了解，尤其是鎖相環(PLL)和壓控振蕩器(VCO)集成電路組件方面，還需要具備可調濾波、寬帶放大以及增益均衡等專業知識。
本文重點介紹近些年微波電路設計取得的進步，這意味著現在采用硅芯片技術中的低相位噪聲 VCO 可以覆蓋一個倍頻程范圍。在這樣的 IC 上集成輸出分頻器可以支持幾個低頻倍頻程范圍，輸出集成倍頻器則支持單個 IC 生成高達 32 GHz 的頻率。隨著小數 N 分頻 PLL 頻率合成器技術的進步，現在微波頻率范圍 rms 抖動可低至 60fs，具備無限小的頻率分辨率和極小的雜散信號。低插入損耗寬帶濾波器可以和這些集成 PLL/VCO IC 配合使用，以提高整個系統的頻譜性能，大大降低了微波和毫米波本地振蕩器帶來的相關挑戰。
簡介
本地振蕩器(LO)是現代通信、汽車、工業和儀器儀表應用中的關鍵組件。無論從基帶到 RF 實施上變頻還是反過來的下變頻，為汽車雷達、材料檢測應用生成掃頻，或者為上述應用電路的構建和測試而開發儀器儀表，我們生活的很多方面都存在 LO。電路和工藝技術的進步已幫助降低了此類電路的成本、復雜性和面積；與過去需要更廣泛地混合使用有源和無源技術相比，現代集成電路大大降低了 LO 的設計難度。
過去，適用于 GSM 等 2G 通信應用的大部分 LO 都使用與 ADI 公司的 ADF4106 類似的整數 N 分頻 PLL，以及窄帶 T 封裝 VCO（例如 VCO190-1846T）。在大多數情況下，這些 VCO 的高品質因素(Q)使其非常易于滿足該嚴苛標準下的相位噪聲規格。那時的手機一般只支持一種無線標準，標準本身的數據速率也有限（雖然 2G 網絡出色的覆蓋率幫助手機獲得了廣泛的市場認可）。基站 LO 一般是使用多種 IC 和 VCO 子模塊組合而成的模塊，如圖 1 所示。
圖 1. 適用于無線通信的 LO 模塊。
對無線數據速率以及與不同的全球無線標準兼容性的需求不斷提高，促進了寬帶 VCO 的發展，與窄帶 VCO 相比，寬帶 VCO 有助于實現更寬的頻率覆蓋范圍，支持更多的新可用頻譜。支持這種數據吞吐量的微波回程網絡也承受著壓力，需要支持高階調制率，可針對不同范圍和標準進行配置，同時幫助網絡提供商降低工程難度，提高投資回報率。為了支持這些網絡開發，典型的信號分析儀使用了龐大笨重的釔鐵石榴石(YIG)振蕩器，以及使用類似技術的笨重濾波器。
VOC 改進
開發集成硅芯片微波 VCO 面臨的最大技術挑戰是可用晶圓制造工藝中的 Q 值有限。在許多情況下，繞線電感（用于 T 封裝 VCO 中）的 Q 值可能從數百的典型值降至剛剛超過 10，因 Leeson 方程的限制，Q 值會嚴重影響相位噪聲，根據此方程，相位噪聲 LPM（公式 1）與 VCO Q 值成平方反比，和輸出頻率成平方正比關系。
基于砷化鎵(GaAs)或鍺硅(SiGe)制造的寬帶單核 VCO 通過將 VCO 的調諧端口范圍從 5V（大部分硅基 PLL 電荷泵可用的典型電壓）擴展至 15V、甚至 30V 來解決范圍與噪聲的問題。這意味著，諧振器 Q 可以保持不變，但擴展的變容二極管可調諧性可以提供更廣泛的調諧范圍，但不會惡化相位噪聲。這種更高調諧范圍帶來的挑戰，可以通過使用有源低通濾波器以將電荷泵電壓（典型值為 5V）轉換為 15 V 或 30 V 來解決（參見圖 2 中 HMC733 的調諧范圍）。這些有源濾波器需要使用高壓低噪聲運算放大器。所以，典型的微波 LO 將由 PLL（如 ADF4106），運算放大器以及 GaAsVCO 組成，在很多情況下，還需要一個外部分頻器，將 VCO 信號分頻至 PLL 允許的最大輸入頻率（對于 ADF4106，為 6 GHz）。GaAs VCO 一般在 S 頻段和更高頻段下運行，因為諧振器電路一般在 2GHz 以上提供最佳性能。設計電路板時更要格外小心，這需要熟知電源、模擬以及 RF 和微波領域專業知識。PLL 濾波器的設計及其性能仿真都需要具備豐富的控制理論和噪聲建模經驗，并且需要熟悉每個組件。完成這些任務所需的經驗并不容易獲得，一般只有從事硬件設計工作幾十年的資深人士才具備。
圖 2. HMC733 調諧范圍。
目前有多種技術可以解決低 Q 值問題。在類似 ADF4360 的產品系列中，裸片（粘接到焊盤上）表面焊線的 Q 值大約為 30。厚金屬電感也可以改善 Q 值，改進變容二極管 Q 也有助于大幅提高諧振器 Q 值，從而進一步改善相位噪聲性能。適合制造高頻率 VCO 和 N 分頻器電路的 BiCMOS 工藝，以及用于開關各種電容的 CMOS 邏輯電路，這些意味著寬帶 PLL 和 VCO IC 切實可行，其小巧的尺寸和更寬的頻率范圍則使其迅速得到無線市場的認可。
許多寬帶 LO 都采用了這種方法。覆蓋整個倍頻范圍的 VCO 很有優勢，這是因為一組分頻器可生成的頻率范圍只受最低可用 VCO 頻率和最高可用分頻比限制。采用硅芯片工藝的 VCO 設計取得了重 大突破，通過開關不同的電容組，可以將 VCO 范圍劃分為多個子頻段。這支持實現更廣泛的頻率覆蓋范圍，無需通過降低振蕩器諧振器 Q 值來犧牲相位噪聲，同時支持使用電壓較低的電荷泵，所以無需使用額外的運算放大器，其需要更高的電源電壓軌。進一步改善可將 VCO 頻段的數量從數十個增加到數百個，甚至在單片 IC 上開發其他單獨的重疊 VCO 內核（按需進行開關），從而進一步優化相位噪聲，例如 ADF4371（圖 3）。從圖 2 中 HMC733 的單核 VCO 與圖 3 的 ADF4371 的多頻段 VCO 之間，可以看出明顯的不同。
圖 3. ADF4371 頻率與 VTUNE 的關系。
從圖 2 的頻率與 VTUNE 關系圖中可以看出，HMC733 調諧電壓與輸出頻率成正比，而在圖 3 中，調諧電壓基本上在 VTUNE 的 1.65V 目標值的幾百毫瓦以內。智能頻段選擇邏輯或自動校準電路意味著用戶無需針對頻率開發頻段查找表，且存在足夠裕量，可以保證在電源電壓范圍，尤其是溫度電壓范圍內可靠運行。