【摘 要】
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随着5G时代的到来,通信系统对集成度、成本以及综合性能的要求越来越高,小型化和低成本设计已成为未来通信发展趋势。相对于集成电路,板级电路具有更低的成本和更优的相位噪声性能,因此在基站、汽车防撞雷达以及军事应用方面较为广泛。压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）作为5G系统中收发机内部频率源的关键模块,其相位噪声直接影响系统的信噪比和最小误码率,而调谐带宽会
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随着5G时代的到来,通信系统对集成度、成本以及综合性能的要求越来越高,小型化和低成本设计已成为未来通信发展趋势。相对于集成电路,板级电路具有更低的成本和更优的相位噪声性能,因此在基站、汽车防撞雷达以及军事应用方面较为广泛。压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）作为5G系统中收发机内部频率源的关键模块,其相位噪声直接影响系统的信噪比和最小误码率,而调谐带宽会限制收发机的动态范围。近年来,为了改善相位噪声,人们设计了多种高Q值谐振器,比如微带开口环结构、SIW腔体谐振器以及SISL腔体谐振器等;为了拓宽调谐范围,研究人员提出了开关电容阵列技术以及电调谐振器技术等。然而相位噪声与调谐范围是相互制约的,这为高性能VCO的设计增加了难度。同时,为了顺应多模式多频带的发展趋势,如何在5G频段实现双频VCO也成为了当下研究热点。因此,本课题针对以上关键问题,基于高Q值的介质集成悬置线（Substrate Integrated Suspended Line,SISL）技术,采用低成本的FR4介质板,从宽调谐范围、低相位噪声、小型化VCO的研究出发,再以此为基础,进一步探究了双频VCO的设计方法以及实现。论文的主要研究内容如下:1.在宽调谐、低相噪、小型化VCO设计方面:为了解决兼顾宽调谐范围与低相位噪声的问题,本文基于SISL平台,采用FR4介质基板,设计了基于变压器的紧凑型三耦合谐振腔,一方面通过在第二个谐振腔加载变容二极管避免晶体管寄生电容对变容管的影响,从而拓宽调谐范围;另一方面通过提高整体回路的Q值改善相位噪声。最终测试结果表明,该VCO实现了28.9%的调谐范围,在振荡频率3.76 GHz偏移1 MHz处的相位噪声为-119.45 d Bc/Hz,核心电路尺寸为0.01λg~2,验证了该方法的可行性。与其他板级VCO相比,本设计具有更宽的调谐范围、更紧凑的面积和更低的成本。2.在双频VCO设计方面:基于以上研究设计,为了解决5G频段双频覆盖的问题,本文基于三耦合谐振腔,设计了一款双频VCO。通过控制晶体管工作状态进行VCO两种工作模式的切换,使得VCO可以在5G双频段工作。与其他板级VCO相比,该设计不仅可以双频工作,而且结构紧凑,成本更低。
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