一種超低相噪?yún)⒖荚吹脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張士峰，劉亮，劉青松，范吉偉，楊東營(yíng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽蚌埠，233006）

一種超低相噪?yún)⒖荚吹脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張士峰，劉亮，劉青松，范吉偉，楊東營(yíng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽蚌埠，233006）

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了超低相位噪聲參考源。分析了鎖相頻率合成相位噪聲的影響因素，提出了一種采用梳譜發(fā)生器合成寬帶、大步進(jìn)、超低噪聲參考源的頻率合成方案。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：頻率覆蓋范圍3～6GHz，頻率步進(jìn)75MHz，3.1125GHz時(shí)，10kHz頻偏處的相位噪聲約為-130dBc/Hz，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

鎖相環(huán)；頻率合成；相位噪聲；梳譜發(fā)生器

0 引言

在現(xiàn)代通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗及電子測(cè)量?jī)x器中，尤其是在相位噪聲測(cè)量?jī)x器中，參考源的相位噪聲優(yōu)劣直接決定儀器的相位噪聲測(cè)量靈敏度指標(biāo)。相位噪聲測(cè)量設(shè)備不僅對(duì)參考源的指標(biāo)有著極高的要求，同時(shí)也希望能夠盡量少占用測(cè)量設(shè)備機(jī)箱內(nèi)有限的空間。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要為相位噪聲測(cè)試儀設(shè)計(jì)參考源，要求輸出頻率范圍3～6GHz，相位噪聲在3GHz左右10kHz頻偏處要小于-125dBc/Hz，頻率步進(jìn)75MHz，并且占用電路板面積在150mm×200mm內(nèi)。本文將介紹一種電路規(guī)模小，相位噪聲指標(biāo)優(yōu)異的寬帶低噪聲參考源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 寬帶低噪聲頻率合成器技術(shù)分析

1.1 寬帶頻率合成實(shí)現(xiàn)方案

寬帶頻率合成的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，但本質(zhì)上都是以某個(gè)高指標(biāo)參考頻率為基準(zhǔn)，在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行分頻、倍頻、混頻等操作，從而生成頻帶更寬的信號(hào)。目前，合成寬帶微波頻率信號(hào)常用的方法是鎖相環(huán)，如圖1所示，主要有以下兩類(lèi)[1,2]。

1）將微波振蕩器的輸出進(jìn)行分頻，分頻后的反饋信號(hào)與低頻的參考信號(hào)進(jìn)行鎖相，控制高頻振蕩器的輸出，實(shí)現(xiàn)倍頻的功能，即鎖相環(huán)直接倍頻技術(shù)。

2）將微波振蕩器的輸出與本振信號(hào)的諧波或基波進(jìn)行混頻獲得中頻反饋信號(hào)，中頻反饋信號(hào)與低頻的參考信號(hào)進(jìn)行鎖相，控制微波振蕩器的輸出，即諧波或基波混頻技術(shù)。

圖1所示的方案均能實(shí)現(xiàn)寬帶、大步進(jìn)的頻率合成，在采取相同相位噪聲水平的鑒相器和振蕩器以及相位噪聲足夠低的參考信號(hào)fref情況下，鎖相環(huán)輸出的相位噪聲取決與反饋信號(hào)的相位噪聲水平。

圖1 鎖相頻率合成方案

1.2 相位噪聲分析

鎖相環(huán)路中加入可變除N分頻器可以解決兩個(gè)問(wèn)題。首先是不改變輸入?yún)⒖碱l率就可以改變VCO的輸出頻率，為實(shí)際應(yīng)用提供了方便；其次是提高了輸出頻率的分辨率，降低了鑒相的參考頻率。為了分析可變除N分頻器對(duì)環(huán)路噪聲的影響，在這里仍然把分頻器看作是一個(gè)理想部件，而本身的相位噪聲用外加于輸出端的Φnd(s)來(lái)表示。同時(shí)由于分頻的原因，在其輸出端還有Φo(s)/N。如圖2-5所示[1]。

圖2 有可變除N分頻器的環(huán)路噪聲

圖2 所示有可變除N分頻器鎖相環(huán)相位噪聲譜密度函數(shù)為：

顯然，環(huán)路中加入可變除N分頻器之后，對(duì)VCO來(lái)說(shuō)，它實(shí)際就變成了倍頻器。在低頻率偏移時(shí)，G(jωm)≈1，S?nd(ωm)相對(duì)S?i(ωm)是小的，所以噪聲增加了20logN。但是在很多情況下，分頻器的輸出噪聲惡化要遠(yuǎn)大于20logN的計(jì)算所得，原因在于分頻器對(duì)相位有采樣效果，使相位噪聲在頻域上拓展，當(dāng)輸入噪聲帶寬較大時(shí)，就會(huì)發(fā)生混疊，從而使噪聲抬高。通過(guò)鎖相環(huán)的傳遞將影響到輸出信號(hào)。常見(jiàn)多模分頻器的單邊帶相位噪聲一般在-150～-140dBc/Hz，這樣除了噪聲要惡化20LogN外再加上附加相位噪聲的影響，采用具有可變除N分頻器的鎖相環(huán)難以達(dá)到3GHz左右10kHz頻偏處要小于-125dBc/Hz的要求。

圖3表示混頻器對(duì)輸入信號(hào)的作用[3]，Vacos[2πv01t+φ1r(t )]和Vbcos[2πv02t+φ2r(t)]是混頻器的兩個(gè)輸入信號(hào)；則混頻器的輸出信號(hào)是Vccos[2π(v01±v02)t+φ1r(t)±φ2r(t )]。不難看出，混頻器在對(duì)頻率v01和v02進(jìn)行加減的同時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的相位φ1r(t)和φ2r(t)也進(jìn)行了加減。因此，混頻器又可以看作是相位的加法(或減法）器。

圖3 混頻器輸入信號(hào)的作用

圖4 表示混頻器對(duì)相位的加減作用。在一般情況下，信號(hào)的相位rφ包括直流分量0φ噪聲ntφ和雜散三部分，若忽略直流分量0φ，只考慮混頻器對(duì)噪聲的影響，則

在不相關(guān)的條件下，功率譜密度總是相加而不會(huì)相減。

圖4 混頻器對(duì)相位的加減作用

根據(jù)以上分析，若輸出的本振信號(hào)足夠好，經(jīng)過(guò)混頻器后鎖相環(huán)反饋信號(hào)理論上最多惡化3dB，只要參考信號(hào)及本振信號(hào)相位噪聲足夠低，則鎖相環(huán)輸出信號(hào)的相位噪聲就可以做得很低。因此，采用混頻鎖相方式可是實(shí)現(xiàn)低相噪的頻率合成。

2 混頻頻率合成方案

采用混頻鎖相方式進(jìn)行低噪聲頻率合成的關(guān)鍵在于混頻器本振信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)。要使鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位噪聲在10kHz頻偏處達(dá)到-125dBc/Hz，則混頻器的本振信號(hào)的相位噪聲必須優(yōu)于這個(gè)指標(biāo)才行。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，混頻器的低噪聲本振信號(hào)要覆蓋3～6GHz的頻率范圍。要產(chǎn)生如此寬范圍的低噪聲本振信號(hào)有兩種方式。一種是對(duì)低噪聲晶振進(jìn)行多次倍頻、分頻、混頻進(jìn)行組合，此種方式獲得的信號(hào)噪聲以20LogN（N為相對(duì)參考信號(hào)的倍數(shù)關(guān)系）惡化，而且附加的相位噪聲惡化很小，可產(chǎn)生極低的相位噪聲。但是，需要進(jìn)行多次頻率變換，電路極其復(fù)雜，需要占用大量的電路板空間。另一種方式是采用梳狀譜發(fā)生器，優(yōu)異的梳狀譜發(fā)生器噪聲惡化也能做到接近20logN的惡化，與前者比采用梳譜發(fā)生器能夠節(jié)省更多的空間。

另一方面，參考源頻率步要小于80MHz，這就要求鎖相環(huán)鑒相頻率小于80MHz。為了滿(mǎn)足相位噪聲、頻率范圍、頻率步進(jìn)的整體要求，提出了如圖5所示的超低噪聲參考源頻率合成方案。本設(shè)計(jì)采用100MHz超低相位噪聲恒溫晶體振蕩器作為基準(zhǔn)源，首先對(duì)基準(zhǔn)源進(jìn)行3倍頻，倍頻后的300MHz信號(hào)經(jīng)8分頻后產(chǎn)生的37.5MHz信號(hào)與開(kāi)關(guān)切換、帶通濾波獲取的112.5MHz作為微波本振環(huán)的參考信號(hào)。梳譜發(fā)生器由300MHz激勵(lì)產(chǎn)生的梳譜經(jīng)濾波后與微波本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生37.5MHz或112.5MHz的中頻信號(hào)，中頻信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行鑒相通過(guò)環(huán)路濾波器驅(qū)動(dòng)VCO，產(chǎn)生3～6GHz的合成信號(hào)，頻率步進(jìn)75MHz。由于梳譜發(fā)生器輸出的信號(hào)為以300MHz為基波的一系列梳狀譜，而混頻器需要的是3～6GHz的本振信號(hào)，因此需要使用帶通濾波器濾除掉無(wú)用的信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的超低噪聲參考源輸出頻率范圍2.9625～6.0375GHz，頻率步進(jìn)75MHz，相位噪聲測(cè)量結(jié)果如圖6所示。輸出頻率為3.1125GHz時(shí)，10kHz頻偏處的相位噪聲約為-130dBc/ Hz；輸出頻率為6.0375GHz時(shí)，10kHz頻偏處的相位噪聲約為-125dBc/Hz。頻率范圍、頻率步進(jìn)及相位噪聲滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

圖5 超低噪聲參考源設(shè)計(jì)原理框圖

圖6 超低噪聲參考源測(cè)試結(jié)果

從這兩組測(cè)量結(jié)果上看，在10kHz頻偏處，2.9625GHz與3.0375GHz的相位噪聲差約6dB，這主要是采用的梳譜發(fā)生器輸出諧波次數(shù)分別是10次和20次，這個(gè)結(jié)果滿(mǎn)足在倍頻過(guò)程中相位噪聲以20logN惡化的理論值，另外在遠(yuǎn)端幾百kHz處兩者相差較少主要是受梳譜發(fā)生器噪聲底部限制，而非取決于晶體振蕩器。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種超低噪聲參考源的設(shè)計(jì)方案，分析了采用混頻鎖相環(huán)進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，提出了使用梳譜發(fā)生器作為混頻器本振信號(hào)的簡(jiǎn)化電路手段，無(wú)論是在理論分析還是在方案設(shè)計(jì)上對(duì)于電子設(shè)備頻率合成面的研究均具有一定的參考及實(shí)用價(jià)值。

[1]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1995.

[2]范吉偉.基于諧波混頻的高性能頻率合成器[J].科技視界.2012，32：127-128.

[3]張有正，陳尚勤，周正中.頻率合成技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1984.33-35.

[4]楊東營(yíng)，閆亞力，韓翔.一種改善微波鎖相參考源相位噪聲的方法[J].2015年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集,2015.

[4]周葉華，葉寶盛，胡驥，盧勝軍.基于取樣混頻的寬帶低相噪頻綜研究[J]. 通信對(duì)抗，2013.01.

A Kind of Ultra Low Phase Noise Reference Source Design and Realization

Zhang Shifeng, Liu Liang, Liu Qingsong, Fan Jiwei, Yang Dongying
(The 41st Research Institute of CETC,Bengbu Anhui,233006)

The issue aims at the design and implement of ultra low phase noise reference source. Analyzes the factor of affect the phase noise of PLL frequency synthesizer,mentions a frequency synthesize technique can synthesize wide band, big step, ultra low phase noise reference source with Comb Spectrum Generator. The experimental results:The frequency range is 3～6GHz,frequency step is 75MHz, The phase noise level is -130dBc/Hz@10kHz with output frequency of 3.1125GHz. It has a high engineering practical value.

PLL Comb;frequency synthesize;phase noise;Spectrum Generator