5G毫米波TR组件设计

摘要：为了对5G毫米波通信信号进行测试，本文利用锁相技术、混频技术、滤波技术和功率控制技术设计出一种宽带毫米波TR组件，经过实际测试，所有指标都达到了设计要求。并成功用于5G信号综合测试仪中，实现了5G频段24.25 GHz～30 GHz的通信信号测试。

关键词：TR组件5G毫米波本振源

基金项目：电子信息测试技术安徽省重点实验室项目，由安徽省“三重一创”项目资助，国家科技重大专项（ 2017ZX03001020）

0 引言

对于TR组件的设计，已有很多人做了深入的研究[1-4]。但是对于5G毫米波TR组件研制的文献却很少。5G通信信号具有毫米波、大带宽等的特点。为了对5G信号进行测试，本文设计出一种5G毫米波TR组件，并成功用于5G信号综合测试仪中，实现了5G频段24.25 GHz - 30 GHz的通信信号测试。

1 方案设计

1.1 设计指标

频率范围：24.25 GHz - 30 GHz

功率输出范围：-90 dBm- 10 dBm

功率输出步进：1 dB

调制带宽：200 MHz

分析带宽：200 MHz

1.2 设计方案

本设计方案的原理框图如图1所示。对于上行发射通道，中频基带模块产生的0.25 GHz -6 GHz中频基带信号通过开关选择，经过衰减、放大等功率调整与12 GHz点频低相噪本振2次谐波混频获得24.25 GHz -30 GHz的5G通信频段信号，经过滤波、功率调整后发射出去。对于下行接收通道，24.25 GHz - 30 GHz的5G通信信号功率调整后与12 GHz点频低相噪本振2次谐波混频获得0.25 GHz -6 GHz的中频信号，利用滤波器滤波后经功率调整、开关选择送给中频基带模块进行解调分析。

2 关键电路设计

2.1 通道设计

TR组件通道设计方案原理框图如图2、3所示。对于6 GHz以下SG频段的0.25 GHz -6 GHz带宽200 MHz上行发射信号，由中频基带模块输出给TR组件，本设计方案选用隔离度高达60 dB的开关HMC849选择上行发射通道。经过衰减器A-0805-C-03DB和放大器FGB-1509A功率调整后输入到混频器的RF端口。TR组件中混频器选用具有谐波混频功能的谐波混频器HMC264，射频频率范围是21 GHz - 31 GHz，本振频率范围是10.5 GHz - 15.5 GHz，中频频率范围是DC-6 GHz。选择谐波混频器可以使设计的本振频率相对较低，本方案中本振源的频率为12 GHz。6 GHz以下SG频段的0.25 GHz -6 GHz带宽200 MHz上行发射信号通过混频获得24.25 GHz - 30 GHz带宽200 MHz的毫米波频段信号。利用腔体滤波器滤除无用的信号后输入给高增益放大器HMC263进行功率放大。由于输出功率范围要求是-90 dBm - 10 dBm，输出功率步进是1 dB，所以上行发射通道数控衰减器选择HGC242，每个衰减器最大衰减范围是31.5 dB，衰减步进量是0.5 dB，采用4个器件级联的方式实现-90 dBm- lO dBm功率輸出要求。为了避免上、下行信号相互影响，毫米波输入、输出端口使用环形器连接。对于下行接收通道，24.25 GHz -30 GHz带宽200 MHz的毫米波频段SG信号由收发端口经环形器输入给30 dB数控衰减器，通过衰减、放大等功率调整后与12 GHz点频本振进行谐波混频得到0.25 GHz -6 GHz中频信号，利用6 GHz低通滤波器滤除本振、射频及交调。使用开关选择切换输出给中频基带模块进行信号解调分析。

2.2 本振源设计

本振源采用双环锁相方案，其原理框图如图4所示。

本振模块为TR收、发模块提供变频所需的本振信号。5G毫米波TR组件的相噪指标主要取决于本振模块，根据上、下行通道设计方案的要求，本振频点确定为12 GHz。相位噪声是-110 dBc/Hz@IO kHz。为了实现高本振低相噪，本振源方案采用双环结构，辅助环提供8.8 GHz点频用于混频，利用基波混频实现频率向下搬移，减小主环由于倍频效应带来的相噪恶化。

主环的相位噪声-110 dBc/Hz@IO kHz，辅助环的相位噪声应满足< -113 dBc/Hz@10 kHz。为了满足辅助环的相噪指标，本方案选用低相噪频率合成器芯片HMC440作为辅助环整数分频及鉴频鉴相器。该器件的归一化底噪为-233 dBc/Hz。假设锁相环芯片的底噪对相位噪声的影响起主导作用，环路带宽内的相噪可以用下式进行估算[5]。

PN=PDnoisef[oor+ lOlogfPD+20log（fo/fPD）

（l）

其中，PDnoisefloor表示鉴相器归一化噪声基底，PNfr表示鉴相频率，fo表示锁相环输出频率。

PN=-233+lOlog（100×106）+20log（8800/100）=-114dBc

（2）

假设参考信号的底噪对相位噪声的影响起主导作用，环路带宽内的相噪可以用下面的公式进行估算

PN=PNfr+20log（fo/fPD）

（3）

其中，PNfr表示参考信号的相噪。

PN=-160+20log（8800/100）=-12ldBc

（4）

根据上面的估算，相位噪声完全能够满足设计指标。

采用100 MHz高鉴相频率，设计三级不同带宽的环路滤波器，使用三级环路滤波器级联的方式对主环路中产生的相位噪声、谐波、杂散等高频分量进行滤波。

3 测试结果

根据本方案设计的SG毫米波TR组件经调试后安装到5G信号综合测试仪中并对其进行测试，所有指标都满足设计要求。

4 结论

本方案利用锁相技术、混频技术、 滤波技术和功率控制技术设计出一种宽带毫米波TR组件，经过实际测试，所有指标都达到了设计要求。并成功用于5G信号综合测试仪中，实现了5G频段24.25 GHz - 30 GHz的通信信号测试，具有较好的应用价值。

参考文献：

[1]黄建，毫米波有源相控阵TR组件集成技术[J].电讯技术，2011，51（2）：1-6.

[2]季帅，张慧锋，严少敏，潘栓龙，基于MCM技术的X波段四通道TR组件设计[J]火控雷达技术，201 5，44 （2）：73 -77.

[3]祁华，张世文.L波段双通道TR组件设计[J].现代导航，201 8，4（2）：119-123.

[4]张志鸿.Ka波段TR部件的研究与设计.[硕士学位论文].成都，电子科技大学，2011.

[5]周建，张玉兴.Ku波段低相噪频率源的研制[J].现代电子技术，2007，30（23）：85-87.

作者简介：

陶长亚（1975-），男，高级工程师。研究方向：通信测量仪器的研究与开发。

通信地址：安徽省蚌埠市禹会区长征路726号电子第41研究所研发一部