面向下一代无线通信的小型化射频发射机研究

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在大数据万物互联的时代下,向更高的频段发展带宽更宽、速率更快、通信容量更大的通信业务是大势所趋。当前5G频谱分为FR1:Sub-6GHz频段和FR2:毫米波频段两个频率范围。然而传统通信所用的Sub-6G频段下空闲频谱发展空间受限,且毫米波频段存在传输损耗大、覆盖范围低、关键器件设计难度大以及建设成本和维护成本高等难以解决的问题。当前6-7GHz频段空闲频谱资源丰富,不仅可以为下一代通信系统提供较大的通信带宽,而且该频段的传输损耗小于毫米波频段,可增大通信覆盖范围,减小建设成本和使用功耗。在2019年世界无线电通信大会上,我国代表积极推动新频段5925-7125 MHz作为2023年世界无线电通信大会的议题。然而目前关于6-7GHz频段的通信系统公开可供参考的研究成果较少,并且还存在着一些需要深入研究的问题。主要困难在于当频率高于6GHz后,现有的高集成度射频器件不具有良好的性能,而如果在该频段利用分立元件实现大规模MIMO应用将会导致系统体积庞大。为了解决其中关键的技术难点,本文开展对6-7GHz频段面向下一代无线通信的小型化发射机研究。发射机工作在6.2-6.6GHz频段,信号带宽为400MHz,线性输出功率大于34d Bm,实现了下一代无线通信兼顾对通信容量和覆盖范围的需求。整套系统还包含上变频模块、射频功率放大模块、四通道高功率低相噪本振源模块、电源管理模块和数字控制模块。发射机与以往不同采用了高本振,大大减小了组合谐波和杂散分量落在带内的风险。通过中频增益控制模块,可以使发射机获得更大的发射功率动态范围。通过合理调整器件和通道之间的布局,最终设计完成的发射机整版面积仅为17×8.3cm~2,实现了较好的小型化需求。实验结果表明该发射机性能良好,满足预期系统指标要求。发射机在400MHz工作带宽内增益波动1.4d B;发射机输出1d B压缩点大于34d Bm;输出三阶截断点为43 d Bm;发射机400MHz标准5G NR信号的ACPR小于-45d Bc。在线性工作区间内,发射机在100Msps码率单载波QPSK、16QAM、64QAM、256QAM的发射EVM分别为2.37%、1.71%、1.62%、1.45%,400MHz标准5G NR信号下的发射EVM为0.76%。最终还完成了与接收机的空口联调测试。另外,四通道高功率低相噪本振源测试结果表明:本振在8.2 GHz处输出功率可达17 d Bm,高功率的本振源可为发射机的无源混频器提供较好的线性度,减少谐波分量的产生;本振在8.2 GHz的二次谐波处抑制度约为54d Bc,有效减小谐波幅度;本振源的积分相噪仅为-51.7d Bc,减小对发射机调制精度带来的恶化影响。
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