一種VCO電路新型注入鎖定方式研究

趙婭琦，劉長(zhǎng)軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

注入鎖定技術(shù)可以用一個(gè)高質(zhì)量的小功率信號(hào)去鎖定一個(gè)大功率的振蕩器，產(chǎn)生高質(zhì)量的大功率信號(hào)。該方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和效率高的優(yōu)勢(shì)，在通信領(lǐng)域和大功率微波源中扮演了重要角色，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和重視[1?2]。注入鎖定是一種受迫振蕩的物理現(xiàn)象[3]，以微波振蕩器為例，如果注入的信號(hào)與自身振蕩頻率接近，振蕩器的頻率和相位就會(huì)向注入信號(hào)偏移。當(dāng)注入信號(hào)幅度足夠大的時(shí)候，振蕩器的輸出頻率就會(huì)和輸入信號(hào)頻率保持相同[4]。

注入鎖定技術(shù)可以用來(lái)調(diào)制、穩(wěn)頻和降噪等，已經(jīng)被應(yīng)用在通信系統(tǒng)、磁控管微波源以及相控陣系統(tǒng)中[5?6]。在之前的注入鎖定研究中，主要有自注入、互注入和外部注入。上述注入方式均是通過(guò)環(huán)行器從振蕩器輸出端口饋入外部信號(hào)，不僅增加了系統(tǒng)的成本和損耗，而且不利于電路的小型化設(shè)計(jì)。本文提出一種通過(guò)VCO電壓調(diào)諧端饋入基準(zhǔn)信號(hào)的注入鎖定方式，降低了電路的復(fù)雜度，亦具備良好的雜散抑制特性。

1 振蕩器注入鎖定理論基礎(chǔ)

注入鎖定理論最早是由Alder在1946年提出的。通過(guò)注入鎖定現(xiàn)象的精確推導(dǎo)，得到鎖定范圍的理論表達(dá)式，并提出了早期理論模型，簡(jiǎn)稱為Alder模型[7]。通過(guò)Alder模型以及經(jīng)典文獻(xiàn)中可以得到注入鎖定的帶寬和注入信號(hào)功率之間的關(guān)系，由文獻(xiàn)[8]中注入鎖定的最大變化范圍Δωmax公式可以變化為

式中：ω0是振蕩器自由振蕩時(shí)的頻率；ω是輸入信號(hào)頻率；Δω=ω0?ω是振蕩器在自由振蕩時(shí)的中心頻率與輸入頻率之差；QL是振蕩器的有載品質(zhì)因數(shù)[9]；Pin為注入信號(hào)功率；Pout為輸出功率。

由式(1)可以看出，注入鎖定振蕩器的鎖定范圍與輸入輸出信號(hào)功率比、振蕩頻率以及振蕩器的品質(zhì)因數(shù)QL有關(guān)[10]。注入信號(hào)幅度越大，鎖定帶寬越寬[11?12]。通過(guò)改變注入信號(hào)的大小，可以得到在不同注入功率下的鎖定帶寬。圖1(a)為傳統(tǒng)環(huán)行器注入方式的示意圖，圖1(b)為VCO電壓調(diào)諧端(VT)注入方式的示意圖。

圖1 2種不同注入方式示意

2 VCO電路注入鎖定實(shí)驗(yàn)

2.1 VCO電路設(shè)計(jì)與測(cè)試

在本次電路設(shè)計(jì)中，采用的壓控振蕩器芯片型號(hào)為MVE2400，電源電壓為5 V，工作頻段為2 300～2 500 MHz，調(diào)諧靈敏度為50 MHz/V，調(diào)諧電壓范圍為0.2～4.5 V，調(diào)諧電壓VT在1.95 V時(shí)，輸出頻率為2.45 GHz，輸出幅度為3 dBm。圖2(a)為VCO測(cè)試電路原理圖，圖2(b)為VCO測(cè)試電路實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)中頻譜儀的分辨率帶寬設(shè)為10 kHz，測(cè)得的VCO的輸出相位噪聲特性如圖3所示。從圖3測(cè)試結(jié)果中可以得出，在偏離中心頻率100 kHz處，相位噪聲為?95 dBc/Hz；在偏離中心頻率500 kHz處，相位噪聲為?112 dBc/Hz；在偏離中心頻率1 MHz處，相位噪聲為?118 dBc/Hz。

圖2 VCO測(cè)試電路

圖3 VCO的輸出特性

2.2 傳統(tǒng)環(huán)行器注入方式

外部信號(hào)通過(guò)環(huán)行器從VCO的RF輸出端注入振蕩器中，圖4為環(huán)行器注入方式的電路測(cè)試系統(tǒng)。直流源提供VCO的5 V工作電壓和VT端電壓，微波源提供外部信號(hào)源，信號(hào)通過(guò)環(huán)行器注入VCO的RF端，然后再通過(guò)環(huán)行器輸出，最后在頻譜儀上觀察振蕩器的輸出特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，當(dāng)注入信號(hào)功率為?40 dBm時(shí)，輸出功率為4 dBm，注入功率比最大可達(dá)44 dB，此時(shí)鎖定帶寬為50 kHz。圖5為注入功率比分別為20、40 dB下VCO的輸出相位噪聲特性曲線。從圖5結(jié)果可以看出，注入信號(hào)功率越大，注入功率比越小，VCO的輸出相位噪聲越好。當(dāng)注入功率比為40 dB時(shí)，偏離中心頻率500 kHz處，VCO的相位噪聲為?109 dBc/Hz@500 kHz。

圖4 環(huán)行器注入方式的電路測(cè)試系統(tǒng)

圖5 環(huán)行器注入方式不同注入比下VCO的輸出特性

2.3 VT端注入方式

外部注入信號(hào)通過(guò)VCO的電壓調(diào)諧VT端注入振蕩器中。圖6(a)為對(duì)應(yīng)的電路原理圖，外部信號(hào)通過(guò)一個(gè)隔直電容注入VT端。隔直電容的作用是防止直流電進(jìn)入微波信號(hào)源損壞信號(hào)源。50 Ω電阻的作用是減小端口的反射，實(shí)現(xiàn)端口的匹配。圖6(b)為VT端注入方式的電路實(shí)物圖，圖7為VT端注入方式的電路測(cè)試系統(tǒng)。直流源提供VCO的5 V電源電壓，微波信號(hào)源的輸出端口和VCO的VT端用50 Ω同軸線連接，VCO的輸出端口與頻譜儀的端口連接。不斷地減小外部注入信號(hào)的功率，觀察信號(hào)鎖定的范圍，當(dāng)注入信號(hào)功率最小為?37 dBm時(shí)，輸出功率為3 dBm，注入功率比最大可達(dá)40 dB，此時(shí)鎖定帶寬為70 kHz。

圖6 VT端注入方式電路圖

圖7 VT端注入方式的電路測(cè)試系統(tǒng)

圖8為注入功率比分別為20、40 dB下VCO的輸出特性曲線。從圖8測(cè)試結(jié)果可以看出，注入信號(hào)功率越大，注入比越小，VCO的輸出相位噪聲越小。當(dāng)注入功率比為40 dB時(shí)，在偏移中心頻率500 kHz處，頻譜儀測(cè)得VCO的輸出相位噪聲為?112 dBc/Hz@500 kHz。

圖8 VT端注入方式不同注入比下VCO的輸出特性

2.4 倍頻注入鎖定

VCO的自由振蕩頻率為2.45 GHz，將外部注入信號(hào)的頻率設(shè)置成2倍的振蕩頻率為4.9 GHz，然后將信號(hào)注入振蕩器中，通過(guò)不斷改變注入信號(hào)的功率來(lái)觀察振蕩器的輸出特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，采用環(huán)行器注入方式，能夠?qū)崿F(xiàn)鎖定的最小輸入功率為?12 dBm，注入比最大可達(dá)15 dB；采用VT端口注入方式，能夠?qū)崿F(xiàn)鎖定的最小輸入功率為?22 dBm，注入比最大為24 dB。在最大注入比下，2種注入方式的輸出特性如圖9所示。通過(guò)2種方式的對(duì)比，采用VT端注入方式的注入功率比、輸出相噪特性都優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)行器注入方式，注入功率比提高9 dB，相位噪聲降低3 dB。

圖9 2倍頻2種不同注入方式的輸出特性

3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)上面的測(cè)試結(jié)果可以看出，外部信號(hào)注入VCO后，VCO的輸出更加穩(wěn)定，同時(shí)VCO的輸出相位噪聲也有所改善，起到了很好的降噪和穩(wěn)定輸出的效果。采用傳統(tǒng)環(huán)行器注入方式，注入功率比最大可達(dá)44 dB，采用VCO的VT端注入方式，注入功率比最大可達(dá)40 dB。在相同注入功率比下，VT端注入方式的相位噪聲要優(yōu)于環(huán)行器注入方式。2種注入方式的相位噪聲都能小于?110 dBc/Hz@500 kHz。不斷改變外部信號(hào)的注入功率，可以得到鎖定的頻率范圍，從而可以得到注入信號(hào)的功率與鎖定頻率范圍之間的關(guān)系，并和最先提出注入鎖定技術(shù)的Alder模型進(jìn)行對(duì)比。

從式(1)中可以看出，當(dāng)自由振蕩頻率和品質(zhì)因數(shù)不變時(shí)，鎖定頻率范圍Δωmax與成線性關(guān)系。注入鎖定的帶寬為2Δωmax，因此鎖定帶寬與輸入輸出信號(hào)功率比也成線性關(guān)系，注入功率越高，鎖定范圍越大。將實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到2種注入方式的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和擬合曲線的對(duì)比結(jié)果。圖10為傳統(tǒng)環(huán)行器注入方式實(shí)測(cè)和曲線擬合的對(duì)比結(jié)果，圖11為VCO的電壓調(diào)諧端注入方式實(shí)測(cè)和曲線擬合的對(duì)比結(jié)果。

圖10 環(huán)行器注入方式實(shí)測(cè)和曲線擬合的對(duì)比結(jié)果

圖11 VT端注入方式實(shí)測(cè)和曲線擬合對(duì)比結(jié)果

從圖10和圖11可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果和線性擬合的結(jié)果基本重合。因此可以得出，電壓調(diào)諧端注入方式和傳統(tǒng)環(huán)行器注入方式都符合Alder注入鎖定理論模型。通過(guò)擬合結(jié)果可以計(jì)算得出直線的斜率，聯(lián)合式(1)進(jìn)一步算出振蕩器的品質(zhì)因數(shù)QL。得到環(huán)行器注入方式的等效品質(zhì)因數(shù)QL為1 019。通過(guò)VCO的電壓調(diào)諧端注入方式的等效品質(zhì)因數(shù)QL為1 924。

在注入功率比相同的條件下，振蕩器的品質(zhì)因數(shù)越高，注入鎖定的帶寬越小[13]。這說(shuō)明了振蕩電路的品質(zhì)因數(shù)越高，越不容易受外界干擾。因此，增大注入信號(hào)的幅度或者減小振蕩器的品質(zhì)因數(shù)可以提高鎖定的范圍[14]。在相控陣和微波射頻系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景[15]。

4 結(jié)論

本文提出了一種VCO電路的新型注入鎖定方式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論如下。

1) 通過(guò)外部信號(hào)注入VCO的VT端來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的鎖定，避免引入環(huán)行器等外部電路元件，降低了電路系統(tǒng)的復(fù)雜度，節(jié)約成本，更易于實(shí)現(xiàn)。

2) 與傳統(tǒng)的環(huán)行器注入方式相比，在相同注入功率比下，采用這種方式的輸出相位噪聲降低了3 dB，具有更好的降噪效果。

3) 在倍頻鎖定中，采用VT端注入方式的注入功率比、輸出相位噪聲特性都優(yōu)于環(huán)行器注入方式，注入功率比提高9 dB，相位噪聲低3 dB，具有極高的注入效率和良好的輸出相位噪聲特性。