5MHz～20GHz低相位噪聲頻率源的研制

文 | 南京電子計量有限公司 李兆榮 陳松濤 魏燕婷

5MHz～20GHz低相位噪聲頻率源的研制

文 | 南京電子計量有限公司 李兆榮 陳松濤 魏燕婷

低相位噪聲源是一種頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度都很高且相位噪聲又非常低的頻率源。本文在簡要著重描述了VCXO壓控晶振鎖相源、高頻單元、低相位噪聲微波倍頻鏈、低噪聲直流穩(wěn)壓電源等低相位噪聲頻率源關(guān)鍵部件的設(shè)計和研制過程。所研發(fā)的低相位噪聲頻率源的頻率范圍從5 M Hz至20 C Hz點頻輸出，在100MHz頻率時相噪達(dá)—176dBc／Hz(偏移100kHz處)，具有較寬的頻率范圍和超低相位噪聲。經(jīng)測試該產(chǎn)品完全滿足相位噪聲測試分析的需要，有著廣泛的應(yīng)用前景和推廣價值。

相位噪聲；頻率源；壓控晶振；鎖相環(huán)

1.述

頻率源是所有電子系統(tǒng)的基本參考源，低相位噪聲頻率源是一種頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度都很高且相位噪聲又非常低的頻率源。相位噪聲是頻率穩(wěn)定度的頻域表征，其反映了振蕩器的相位抖動和頻率的短期穩(wěn)定度，是評估振蕩器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。振蕩器相位噪聲的好壞對電子系統(tǒng)的鄰道干擾，信息傳輸質(zhì)量，雷達(dá)的目標(biāo)分辨率等關(guān)鍵性能都有直接影響。頻率穩(wěn)定度的測試一般采用時域法和頻域法，相位噪聲是頻域頻率穩(wěn)定度定義的表征量，它是指在給定頻率偏移處1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率與載波信號功率之比。

低相位噪聲的測量除了必須有低相噪比對設(shè)備外，還必須配備與測試設(shè)備相匹配的低相位噪聲源。國內(nèi)相位噪聲的測試主要使用HP3048A、E5500A/B、PN9000、E5052A/B、FSUP等相位噪聲分析系統(tǒng)，它們的相噪底可達(dá)-170dBc/Hz@100kHz，可以滿足大多數(shù)電子設(shè)備的相位噪聲的測量，但選配的低相位噪聲信號源HP8662A/HP8663A的相位噪聲底只有-140dBc/Hz@100kHz，不能滿足實際測試需要，要測量更低的相位噪聲，必須配備更好的低相噪源。目前市場上還沒有與之相匹配的低相位噪聲源，研制寬帶低相位噪聲源可以滿足電子產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、測試、量值傳遞的要求。

2.相位噪聲頻率源的組成

頻率源主要有固定頻率源和合成頻率源兩類。固定頻率源通常包括固定振蕩器、固定點頻鎖相源、晶振及晶振倍頻源等。固定頻率振蕩器在微波段通常采用介質(zhì)振蕩器，介質(zhì)振蕩器由于Q值高，尺寸小，易于實現(xiàn)混合集成，可得到噪聲較低、頻率較穩(wěn)定的固定微波頻率源，但近載波相位噪聲往往較大。恒溫壓控晶振是一種高穩(wěn)定的頻率源，但只能工作于幾百兆赫茲范圍內(nèi)，要想得到更穩(wěn)定的微波頻率源，通常用晶振輸出信號經(jīng)倍頻來實現(xiàn)，倍頻可采用鎖相倍頻和直接倍頻，采用晶振直接倍頻方式，可以獲得載頻近端和遠(yuǎn)端最優(yōu)的相噪。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字分頻鎖相電路可以大幅降低頻率輸出的相噪，也獲得廣泛的應(yīng)用。

2.l 方案的選擇

影響頻率源相位噪聲的隨機(jī)噪聲主要由五種獨(dú)立噪聲的線性組合，這些獨(dú)立噪聲的譜密度由(1)式確定，要想獲得較低的相位噪聲頻率源，就要在電路中把這五種隨機(jī)噪聲減小到最小。

目前有直接頻率合成、鎖相頻率合成、微波倍頻法等三種方法獲得寬帶頻率信號源。直接頻率合成法用諧波發(fā)生器、倍頻器、分頻器和混頻器等部件對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行加、減、乘、除的基本運(yùn)算，再用濾波器濾出所需要的頻率。它具有頻率轉(zhuǎn)換快、頻率分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)點，但需要多個的硬件設(shè)備，且輸出頻率中存在很多寄生干擾。鎖相頻率合成法利用鎖相環(huán)路的特性，使壓控振蕩器輸出頻率與基準(zhǔn)頻率保持嚴(yán)格的比例關(guān)系并得到相同的頻率穩(wěn)定度。這種方法具有電路簡單、成本低廉、控制靈活、頻譜純凈等優(yōu)點，因而可以應(yīng)用在大多數(shù)場合，尤其是在通信設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，其缺點是需要一定的轉(zhuǎn)換時間，且最高工作頻率受到限制。微波倍頻源與傳統(tǒng)電子器件和固態(tài)二極管振蕩器產(chǎn)生的信號源相比，具有低成本、高可靠性、高穩(wěn)定度等特點，由于N倍頻按照20logN算法使相位噪聲惡化，從而可以獲得較鎖相噪聲更低的相位噪聲。

測量相位噪聲通常并不需要連續(xù)變化頻率，而只需要測量某些頻率點的相位噪聲，因此采用一個5MHz壓控晶振鎖定100MHz超低相噪壓控晶振作為參考源，再經(jīng)低噪聲倍頻鏈得到從5MHz到20GHz的點頻輸出頻率。這是一種較好獲得寬帶低相位噪聲頻率源的途徑。

2.2.統(tǒng)組成

系統(tǒng)由5MHz和100MHz雙壓控晶振組成的VCXO鎖相晶振源、高頻單元、低噪聲倍頻鏈和低噪聲直流電源等組成，如圖1所示。

VCXO壓控晶振鎖相源是系統(tǒng)的核心部分，它是一個相位噪聲極低的壓控晶振頻率源，它的相噪決定其它輸出頻率點的相位噪。鎖相源輸出的100MHz頻率信號經(jīng)功分器送低噪聲倍頻鏈倍頻得到1GHz、5GHz、10GHz、15GHz、20GHz的輸出頻率。鎖相源輸出的5MHz頻率信號送2倍頻得到10MHz頻率，經(jīng)晶體濾波、低噪聲放大輸出。該系統(tǒng)可輸出信號的頻率為：5MHz、10MHz、100MHz、1GHz、5GHz、10GHz、15GHz、20GHz等，這些頻率點可以滿足絕大多數(shù)用戶測量相位噪聲的需要。

3.鍵部件的研制

3.l VCXO壓控晶振鎖相源

VCXO壓控晶振鎖相源的工作原理如圖2所示，5MHzVCXO壓控晶振輸出信號至功分器，功分器的一路供輸出，另一路送100MHz倍頻器倍頻得到100MHz的信號送鑒相器鑒相。100MHzVCXO壓控晶振的輸出送至另一功分器，該功分器的一路供輸出，另一路也送鑒相器鑒相。鑒相器用來比較兩路輸入信號的相位，其輸出電壓與兩信號的相位差成一定的比例，鑒相器的輸出送至積分濾波器，積分濾波器實際上是一個低通濾波器，用來濾掉鑒相器輸出的高頻成分和噪聲。經(jīng)濾波后的信號送低噪聲放大器放大后送100MHz的VCXO的EFC口，控制VCXO頻率，使5MHz的VCXO壓控晶振鎖定100MHz的VCXO晶振。該設(shè)計方案使100MHz的VCXO壓控晶振經(jīng)過鎖相后的輸出相位噪聲在偏離10Hz處改善了約20dB，而在偏離100kHz處，相位噪聲基本沒有改變，這就獲得了100MHz壓控晶振的近端和遠(yuǎn)端的相位噪聲都很低的相位噪聲源，為低噪聲倍頻鏈提供了很好的相位噪聲源，使各點倍頻器輸出的近端相位噪聲都改善了近20dB。

3.2.頻輸出單元

高頻輸出單元由5MHz、100MHz功分器、5MHz、10MHz、100MHz帶通晶體濾波器、10MHz倍頻器以及高頻低噪聲放大器等部分組成。功分器的作用是把壓控晶振的輸出信號分成兩路，一路送放大器，經(jīng)濾波放大后輸出，另一路送下一級倍頻器。同時它還起隔離作用，使輸出信號相互間避免串?dāng)_，以減小負(fù)載對壓控晶振的反射作用。由于晶體濾波器具有低損耗，高抑制度，頻帶窄，溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，利用帶通晶體濾波器來改善輸出信號的近載頻相位噪聲。10MHz倍頻器原理框圖見圖3，它要求輸出電平大于10dBm，輸出阻抗為5011，諧波含量小于-30dB。

3.3.相位噪聲微波倍頻鏈

低相位噪聲微波倍頻鏈如圖4所示，它包含100MHz～1GHz倍頻器、1GHz～5GHz倍頻器、5GHz～10GHz倍頻器、 5GHz～15GHz倍頻器、10GHz～20GHz倍頻器。這五個倍頻器的輸入、輸出阻抗均為50Ω，輸入電平5—10dBm，輸入輸出都采用SMA接頭，倍頻附加相位噪聲小于2dB。倍頻鏈的頻率從高頻、超高頻段到微波段，它所采用的技術(shù)手段和工藝有很大的差異，5MHz到1GHz可采用集中參數(shù)元器件，而微波頻段要采用分布參數(shù)元器件，本文僅對5GHz—10GHz倍頻器的研制過程加以介紹。

表1.載波頻率點在不同頻偏時的相位噪聲測量數(shù)據(jù) 單位：dBc/Hz

本項目中5GHz—10GHz波段微波二倍頻器的研制采用MMIC微波集成單片技術(shù)設(shè)計、加工，其電路方案如圖5所示。該微波倍頻器包含了微波無源二倍頻器和微波放大器等MMIC微波集成單片器件。微波信號由SMA頭(F)輸入，先經(jīng)過倍頻電路進(jìn)行二倍頻，再經(jīng)后續(xù)的放大電路進(jìn)行放大，最后由SMA頭(F)輸出。整個電路分為三級，分別為無源二倍頻電路，驅(qū)動級放大電路和功率級放大電路。

由于電路的整體電流要求小于300mA，因此，第一級電路采用無偏置且較易實現(xiàn)的無源二倍頻。此MMIC為美國HITTITE公司的HMC204集成單片。無源倍頻相對于有源倍頻來說，其效率低，且存在變頻損耗。要想達(dá)到最小輸出15dBm的指標(biāo)要求，只有在后級串聯(lián)接人適當(dāng)?shù)姆糯笃骷＞C合考慮到工作頻段和輸出功率等技術(shù)指標(biāo)，后級電路采用兩級放大的電路結(jié)構(gòu)形式。第一級放大電路選用Hittite公司型號為HMC516的低噪聲放大單片(即驅(qū)動級放大)，第二級MMIC放大選用同一家公司的HMC465功率級放大器。

整個電路制作在軟介質(zhì)基片上，我們采用了Rogers(羅杰斯)公司的RT/duroid5880基片。電路為單面電路，表面需鍍金。提供偏置的電源板由穩(wěn)壓塊7808、78L05及電壓轉(zhuǎn)換塊ADP3603組成，其最終實物如圖6。

3.4.噪聲直流穩(wěn)壓電源

壓控晶振、倍頻器的直流穩(wěn)壓電源的紋波和噪聲對它們的相位噪聲影響很大，為了減少電源的影響，直流供電電源的紋波及噪聲要小于1mV。因此，對直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了功率管理設(shè)計。在直流電源的設(shè)計中采用了多次穩(wěn)壓技術(shù)并加電磁屏蔽，這種設(shè)計大大降低電源的紋波和噪聲，使電源的紋波和噪聲對壓控晶振倍頻電路引人的相噪可以忽略不計，其原理框圖如圖7所示。交流220V經(jīng)進(jìn)線濾波器濾波后再送交流變壓器變壓，得到3組17V交流電壓，經(jīng)橋式整流，濾波，兩次穩(wěn)壓，輸出直流12V穩(wěn)壓電源。

4.相位噪聲源的測量結(jié)果

所研制的寬帶超低相位噪聲源的頻率范圍從5MHz到20GHz，如采用HP3048A、E5500A、pN9000等相位噪聲測試系統(tǒng)分析，由于沒有更低的相位噪聲源而無法進(jìn)行。現(xiàn)采用安捷倫公司的E5052B信號源分析儀進(jìn)行測試，該分析儀的可測相噪底與所研制的低相噪源技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)，10MHz輸出信號在頻偏10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz處測量得到的相位噪聲如圖8所示，其它測量數(shù)據(jù)如附表，由表1可知，測量數(shù)據(jù)的不一致性基本沒有超過E5052B的測量不確定度。

5.束語

低相位噪聲頻率源歷經(jīng)一年的研制，經(jīng)技術(shù)指標(biāo)測試以及重復(fù)性、穩(wěn)定性的考核，完全符合相位噪聲測試的需要，可廣泛應(yīng)用于各類軍用通信設(shè)備、雷達(dá)、廣播、電視、衛(wèi)星通信、電子儀器等設(shè)備的相位噪聲測試分析，有著廣泛的應(yīng)用前景和市場推廣價值。

[1] 谷華寶 吳建輝．一種2．2—5．5G寬帶低相位噪聲LC VCO設(shè)計[J)．電子器件，2009，(01)

[2] 于云豐 葉甜春等．低相位噪聲2—A小數(shù)頻率合成器[J]．中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2010，(06)

[3] 楊非 齊寧華 孫忠良．改進(jìn)的相位噪聲公式與低相位噪聲振蕩器設(shè)計[J]．東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，(05)

[4] 祁楠 李國林．正交相位輸出壓控振蕩器的低相位噪聲優(yōu)化設(shè)計[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2008，(08)

[5] 伍翠萍 何波等．一種低電壓低功耗的環(huán)形壓控振蕩器設(shè)計[J]．微電子學(xué)與計算機(jī)，2008，(05)

[6] 陳永潔劉忠等 一種低電壓低功耗的環(huán)形壓控振蕩器設(shè)計[J]．微電子學(xué)與計算機(jī)，2008，(06)

[7] 劉穎異 王志功 錢照華．全集成低相位噪聲LC壓控振蕩器設(shè)計[J]．中國集成電路，2008，(03)

[8] 曾健平 謝海情等．低相位噪聲、寬調(diào)諧范圍LC壓控振蕩器設(shè)計[J]．電路與系統(tǒng)學(xué)報，2008，(04)

[9] 張華鋒 卓成等．環(huán)形行波振蕩器電路模型分析與優(yōu)化設(shè)計[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2009，(04)

Research of Low Phase Noise Frequency Source Ranging from 5 MHz ～ 20 GHz

Low phase noise frequency source is a kind of frequency source with high frequency accu-racy,high stability and low phase noise. The design theory of low phase noise frequencysource and its main components is described detailedly in this paper. This system consists of two VCXO phase-locked crystal sources, power splitters, low noise amplifiers, band-pass crystal filters and low noise DC power etc.A set of low phase noise frequency source has been developed and its frequency range is from 5 MHz to 20 GHz dot frequency.When the output signal frequency is 100 MHz, the harmonic component is -176dBc/Hz (offset 100kHz). The source has pretty wide frequency range and extra low phase noise. After test, the product proves to meet fully the need of phase noise analysis and has a promising application future and promotion value.

phase noise；frequency source；voltage control crystal oscillatory (VCXO)；phase-locked loop(PLL)

李兆榮，南京電子計量有限公司高級工程師