摘 要：本文提出了一种5.8GHz微波频率源的设计方法，较为详尽地分析了该系统各组成部分的性能及参数，并对系统参数做了总结。
关键词：相位噪声；分频器；LPF
本文设计的5.8GHz微波频率源主要应用于专用短程通信系统(Dedicated Short Range Communication，简称DSRC)，未来DSRC的标准也倾向于使用基于5.8GHz的微波通信。
如图1所示，专用短程通信系统采用的是无线通信技术。根据实际DSRC系统设计的方案，本文所设计的5.8GHz微波频率源可应用于汽车中的被动式传输系统。该系统采用半双工通信模式，其工作状态分为三种：第一种是待机状态，RSU一直处于发射模式，将AM调制信号F-AM加载到载波F0上发射，但是OBU没有进入RSU的天线作用范围，因此RSU和OBU之间没有信息交换；第二种是处于下行模式的状态，如图1(a)所示；第三种是处于上行模式的状态，如图1(b)所示。
微波频率源设计原理
本文设计的频率源应用于微波波段，如图2所示。在锁相环路原理图的基础上，该设计方案又加入了单片机控制、显示和除N分频器(N Divider)等单元。其中PLL器件是带有前置分频器的单元，以便进行一次高速预分频。
该方案的总体设计思想是：通过单片机系统控制锁相环频率合成器，锁相环完成参考晶振的频率和压控振荡器(VCO)的频率(经除N分频器)相位差的比较，并转换成相对应的线性电压输出，经低通滤波器滤除高频干扰之后，获得一较为稳定的电压，控制VCO的振荡频率输出。
微波VCO的设计
微波VCO是PLL频率合成器的核心器件，其频率稳定度和相位噪声是影响整个DSRC系统的关键因素。由于DSRC系统中采用1.5MHz或者2MHz的副载波，设定副载波的频率变化不得超过±1％，则按1.5MHz的副载波计算可知，副载波的频率变化不允许超过15KHz。又设定汽车的运动速度为60km/h，由多普勒频移的计算公式可得：
(1)
即VCO的频率准确度要求为：
(2)
VCO的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度，本文主要考虑短期的频率不稳定性。其中包括：
1. 电源的起伏或者振动
2. 相位噪声
第1项是因果效应，可以通过使用稳压电路来达到要求。第2项是微波VCO设计的难点。以下从实际设计的参数中分析VCO所要达到的相位噪声指标。
在设计的DSRC系统中，要求OBU唤醒距离的最大值为12m，副载波假定使用1.5MHz，RSU的实际输出功率PRSU为17dBm，RSU天线增益GRSU为13dB，5.8GHz的自由空间损耗(L=12m)LR为69.3dB，OBU的天线增益GOBU为6dB。则OBU接收到的功率PROBU为：
其中L1是车辆挡风玻璃的插损，此时所得的PROBU也就是OBU的接收灵敏度。
OBU接收到的功率，经OBU副载波调制，再发射到RSU接收，副载波调制和转发的损耗设为-6.5dBm，汽车挡风玻璃的损耗L1为-5dBm，则到达接收机的功率PRRSU为：
而RSU的发射和接收天线的隔离度为-40dBm，即在RSU接收端得到的载波为17-40=-23dBm，副载波的幅度为-102.1dBm。即要求：在偏离5.8GHz载波1.5MHz处，频率源的噪声幅度必须与主瓣5.8GHz的幅度相差80dBm以上。这样，本振信号与接收信号混频后，噪声才不会湮没接收信号。
由以上分析可知，VCO的单边带(SSB)相位噪声需满足下式：
(3)
在设计振荡器时，减小相位噪声最有效的方法是提高选频回路的Q值，同时还要减少由非线性器件引起的、使幅度噪声向相位噪声的转换。
PLL的设计
PLL相位模型
由于PLL频率合成器正常工作时，其输出相位和输入相位相差很小，可以认为其差值在p/6以内，因此本文采用线性化的PLL模型来分析和设计。
PLL闭环传递函数 为：
(4)
开环传递函数Ho(s)为：
(5)
同理可得误差传递函数 ：
(6)
实际应用时，依据选用的器件取：
，，N=4。
LPF的设计
LPF采用的是在标准环路滤波器后附加一个低通滤波器的方案，所得电路称为第2类5阶环路。设计时，由于鉴相频率取25KHz，在此可设定其环路带宽为50KHz。采用较宽的环路，有利于消除微波VCO产生的相位噪声。因为微波VCO控制电压为1V时，VCO的输出频率已经达到5.8GHz，所以本方案没有在滤波器中采用有源放大电路来提高电路的增益。
如图3所示，LPF为一个3阶无源电路。
(7)
R2、R3、C1、C2和C3的计算结果如表1所示。即满足(3)式的要求。
经实验证明，该参数适用于本文所设计的频率源。
功率放大器的设计
在设计时，设定VCO的输出功率为11dBm。VCO输出功率要分配给分频器和输出端口，采用的是4dBm微带功分器，即输出功率为11-4＝7dBm。而接收机和发射机所需要的本振功率在13dBm以上，因此要增加电路的增益。
电路技术
VCO电路
VCO的设计采用变容式方案，如图4所示，用控制电压控制D1、D2、D3和D4这四个变容管，电路所对应的谐振频率由L1、D1、D2、D3和D4决定。
一般地，L1用微带线来实现，CD1~CD4采用几pF至十几pF的变容管。
PLL电路
PD电路
PD器件选用了LMX2326，这是一种2.8GHz的单片集成频率合成器，并含有前置分频器，是一款专为射频个人通信系统设计的器件。
LMX2326的用途主要是根据所需要的频率进行编程，为压控振荡器提供反馈调谐电压。编程时，需要注意其串行通信的时序。在本文的应用中，采用的数据输入方法是计数器复位法。
设fcomparison=25KHz，fOSC=12.8MHz，fVCO=5.8GHz/4 =1.45GHz，输入到N和R计数器的值分别为：
功率放大电路
如图5所示，将放大器假定为是“无噪”的理想器件，其等效输入噪声Pni为：
(8)
F—噪声指数，本设计取为5.5dB；k—1.3806e-23，波尔兹曼常数；T—绝对温度，本文取300(27℃)；B—系统带宽，取20MHz。
输入功率Psi=5dBm，其相位噪声谱密度为：
单边L(fm)为：
由上式计算结果可知，该功放器件的相位噪声是满足系统要求的，即满足(3)式。
系统指标
整个系统最重要的指标是频率稳定度。在本文的设计中，影响频率稳定度的关键因素是相位噪声。而微波VCO产生的相位噪声起主要作用。由微波VCO的设计可知其相位噪声满足系统要求；像PD器件(LMX2326)和分频器，其单边L(fm)在-150dBc/Hz以下，因此，整个PLL频率合成系统满足(3)式，也就是说，其频率稳定性可以保证整个系统可用。
结语
频率源是微波收发系统中的重要组成部件。在设计过程中，难点和重点在于LPF和VCO的设计。VCO是构成整个环路噪声的主要器件，尤其VCO的相位噪声是影响频谱纯度的主要因素；LPF是环路抑制噪声的主要器件，如果LPF设计不好，将会导致环路的低频振荡，即所谓的汽船声现象。除了其他器件的精心选择之外，这两部分是频率源设计的主要内容。■
参考文献
1 Ulrich L.Rohde Jerry C.Whitaker著. 王文贵 肖晓劲等译. 通信接收机:DSP、软件无线电和设计(第三版).人民邮电出版社，2003
2 陈邦媛 编著. 射频通信电路(第一版).科学出版社，2002
3 白居宪.