5G毫米波TR组件设计

设计应用
esign & Application
D
5G毫米波TR组件设计
Design of 5G millimeter-wave TR module
陶长亚
（1.电子信息测试技术安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 2330062.中国电子科技集团公司第41研究所，安徽 蚌埠 2330063.中电科仪器仪表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233006）
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5 G 毫米波TR 组件研制的文献却很少。

5 G 通信信号具有毫米波、大带宽等的特点。

为了对5 G 信号进行测试，本文设计出一种5 G 毫米波TR 组件，并成功用于5 G 信号综合测试仪中，实现了5 G 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
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
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5 G 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。

0.25～6GHz 中频输入/24.25～30GHz /输出
图１　ＴＲ组件原理框图
责任编辑：毛烁
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6GHz以下5G频段的0.25GHz～6GHz带宽200MHz 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60dB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21GHz～31GHz，本振频率范围是10.5GHz～15.5GHz，中频频率范围是DC～6GHz。

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12GHz。

6GHz以下5G频段的0.25GHz～6GHz带宽200MHz上行发射信号通过混频获得24.25GHz～30GHz带宽200MHz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-90dBm～10dBm，输出功率步进是1dB，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31.5dB，衰减步进量是0.5dB，采用4个器件级联的方式实现-90dBm～10dBm功率输出要求。

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，24.25GHz～ 30GHz带宽200MHz的毫米波频段5G信号由收发端口经环形器输入给30dB数控衰减器，通过衰减、放大等功率调整后与12GHz点频本振进行谐波混频得到 0.25GHz～6GHz中频信号，利用6GHz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。

图４　本振原理框图
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12GHz。

相位噪声是-110dBc/Hz@10kHz。

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8.8GHz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-110dBc/Hz@10kHz，辅助环的相位噪声应满足＜-113dBc/Hz@10kHz。

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-233dBc/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=PDnoisefloor+10logfPD+20log(fo/fPD) （
1）
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+10log(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）
0.25～
中频输入
～30GHz
毫米波输出
图２　上行发射通道
0.25～
中频输出
～30GHz
毫米波输入
图３　下行接收通道
设计应用
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其中，PNfr 表示参考信号的相噪。

PN =-160+20log (8800/100)=-121dBc
（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。

５Ｇ信号发生测试 ５Ｇ信号分析测试
图７　５Ｇ信号测试
频点：２４．２５ＧＨｚ 频点：３０ＧＨｚ
图５　频率范围测试
调制带宽测试 分析带宽测试
图６　带宽测试
3 测试结果
根据本方案设计的5G 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、（下转第８１页）
责任编辑：毛烁
(3) Y 0.490.6P =−j ，其倒数为P 的对称点Z 0.65Q
====+Yp 0.490.60.6
110.490.6−j +j j (4) 归一化阻抗-导纳圆交点
X 10.6510.650.2275=±−=±−=±r r ()() (5) 对于上方的交点Δx=0.22751=0.7725 −−Δx =0.772550=38.625−×− C 4584pF
= (6) 对称点x =−==−110.63−−r r 0.630.73
Y
0.0146==0.73
50
C 2583pF = (并电容)(7)对应π形网络如图
13
图１３　π形网络对应元件值
4 总结
上述例子讲述了NB -IoT 天线匹配网络的操作过程，通过史密斯圆图，可以直接读出电路的反射系数、驻波比等参数，减少繁琐的计算，提高效率。

当反射系数觉得值小于1/3可认为此电路合格。

当反射系数大于1/3，通过对其进行串并电容，电感进行阻抗匹配，直至反射系数小于1/3为止。

如需更精准的匹配，则可通过计算机仿真等其他方式来进行阻抗匹配。

参考文献：
[1] 陈俊夫.对于Smith圆图的应用和理解[J].中国新通信, 2015(17):48-48.
[2] 杜广超.史密斯圆图在天馈系统中的应用[J].科技风,2012(4):73-73.
[3] CHAN K C.利用史密斯圆图设计匹配网络[J].无线电工程,
2001, 31(12):51-53.
[4] 王延平.利用smith圆图快速求解阻抗匹配网络[J].有线电视技术,2013,(12):95-98.
[5] TORUNGRUENG D,THIMAPORN C.A generalized ZY Smith chart for solving nonreciprocal uniform transmission‐line problems[J]. Microwave and Optical Technology
Letters,2004,40(1): 57-61.
（上接第７０页）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24.25GHz ～30GHz 的通信信号测试，具有较好的应用价值。

参考文献：
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[3] 祁华,张世文.L波段双通道TR组件设计[J].现代导航,2018,4(2):119-123.
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（上接第５２页）Slope Tunnel Transistors for 0.25V Supply
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[8] R. Jhaveri, V. Nagavarapu and J. C. S. Woo, “Effect of Pocket Doping and Annealing Schemes on the Source-Pocket Tunnel Field-Effect Transistor,” in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 58, no. 1, pp. 80-86, Jan. 2011.
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