（无线电物理专业论文）ka波段相参收发前端技术研究.pdf

摘要 摘要 本文主要对k a 波段相参收发前端的理论进行了研究，并进行了系统样机的设 计、制作与测试。 论文首先论述了毫米波的特点及其应用，并简要介绍了本课题的国内外动态 以及本研究拟达到的性能指标。然后根据现实条件和课题需要确定了k a 波段相参 收发前端的系统方案。本方案采用同一晶振源为收发两个毫米波锁相源作参考频 率，其中的一个锁相源用于产生高稳定的发射载波频率，另一个用于产生高稳定 的本振信号，从而实现收发的相参性。第三章至第五章分别介绍了毫米波锁相源、 二倍频本振源和低噪声放大器三个系统关键的单元电路的设计过程和测试结果。 第六章叙述了系统联调的过程和系统的测试结果。最后的结束语，分析了电路中 存在的问题，指出了改进方向。 关键词：毫米波、收发前端、相参、锁相源 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h et h e o r ya n dd e s i g no fk a b a n dc o h e r e n t t r a n s c e i v e rf r o n t e n d ，a n dt h et r a n s c e i v e rf r o m e n dd e s i g n ，a s s e m b l i n ga n dt e s t i n ga r e a l s og i v e n f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f m i l l i m e t e r - w a v ea n di t sa p p l i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d i t a l s og i v e st h el a t e s td e v e l o p m e mo fm i l l i m e t e r w a v et r a n s c e i v e rm a df o r w a r dt h et a r g e t o ft e c h n o l o g y a n dt h e n ，a s s o c i a t e dw i t ht h es u b j e c t sr e q u i r e m e n ta n dt h er e a l i s t i c c o n d i t i o n s ，t h es y s t e mp r o p o s a l i s c o n f i r m e d a c c o r d i n gt o t h e p r o p o s a l ，t w o m i l l i m e t e r - w a v ep h a s el o c k e ds o u r c e sa l el o c k e do nac r y s t a lo s c i l l a t o r t h eo n eo ft h e p h a s el o c k e ds o u r c ei su s e df o rs t e a d yc a r r i e rw a v ei nt r a n s m i t t e r , t h eo t h e ri su s e df o r l o c a lo s c i l l a t o r t h r o u g ht h ep r o p o s a l ，c o h e r e mt r a n s c e i v e rf r o m e n di sa c h i e v e d f r o m c h a p t e rt h r e et oc h a p t e rf i v e ，t h et h r e ek e yc o m p o n e n t so ft h es y s t e m ：m i l l i m e t e r - w a v e p h a s el o c k e ds o u r c e s ，m u k i p l ef r e q u e n c yl o c a ls o u r c e ，l o wn o i s ea m p l i f i e ra r ed e s i g n e d a n dt e s t e d i nc h a p t e rs i x ，t h ea s s e m b l i n ga n dt e s tr e s u l t so f t h et r a n s c e i v e rf r o n t e n da r e g i v e n f i n a l l y , w ea n a l y s i st h ec i r c u i t sa n db r i n go u tt h ei m p r o v e dm e a n s k e y w o r d s ：m i l l i m e t e r - w a v e ，t r a n s c e i v e rf r o m e n d ，c o h e r e m ，l o c k e dp h a s es o u r c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特，l , j j n 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：亘j 兰奎日期：如占年年月2 ，厂日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：互壑叁：导师签名：荭箍杰 日期：年牛月2 f 日 第一章绪论 1 1 毫米波基本特征【1 】【2 】 3 】 第一章绪论 毫米波作为整个无线电频谱中不可或缺的一段，其波长在l m m 一1 0 r a m 间，对应 频率为3 0 g h z 到3 0 0 g h z ，工程上其划分并非严格而统一的。从频谱分布来看，毫 米波底端与微波相连，而高端则与红外、光波相连。有此可见，毫米波应具有其 独特的性质。概括起来，毫米波有三个基本特征：波长极短( 频率极高) ：带宽很 宽；在空间传播与大气环境关系密切。由此构成其突出的优缺点，具体而言： ( 1 ) 波长极短。微波元件与电路尺寸与波长成正比关系，与频率成反比关系。 毫米波的波长短，可以大大降低部件、系统的体积和重量；同时，它的多普 勒频移大，有利于探测低速目标；对相同口径的天线，更容易实现窄波束、 高增益，使雷达系统的多目标鉴别能力增强，多径效应和地杂波的干扰小， 直线传播性能好，对其他通信系统干扰小。波长短的负面效应在于，为了保证 性能，设备加工精度要求极高( 如面天线的精度要求为1 0 1 1 0 4 ) ，元器件的寄生参 数要减小到最低程度，这就导致毫米波元器件尺寸昂贵，同时小尺寸也限制了其 功率容量。 ( 2 ) 带宽很宽。按照3 0 3 0 0 g h z 这一范围计算，整个毫米波带宽高达2 7 0 g h z ， 大大超过微波及更低频段频谱资源总和。由此可见常用的毫米波频谱资源非常丰 富。在民用方面：可用于“信息高速公路”满足信息化时代人们对高速数据，宽 带图象业务等大容量信息传输与处理的需要。例如3 5 g h z 附近的“大气窗口”，可 传送3 0 0 0 路符合m p e f g 一2 标准的彩色广播电视信号，或者2 5 00 0 0 路双向a d p c m 数字电话，若加上利用空分，正交极化等频率复用技术，可支持的通信容量可以 大大增加。在军用方面：丰富的频率资源提供了抗干扰，抗截获的另一条有效途 径。采用宽带，超宽带扩频技术，可以获得极高的处理增益，再辅以调零天线技 术，可以产生出令干扰者望而却步的系统干扰容量。另外，与较低的射频相比， 毫米波频率具有强的抗闪烁能力，电波在核爆炸后能较快恢复正常。 ( 3 ) 独特的传播特性。对电波传播的研究表明，对于厘米波频率以下的电磁 波，大气的影响可以忽略不计。对于毫米波则不然，影响其传播的主要气体是水 蒸气与氧气，其对毫米波产生选择性吸收与散射，产生出几个谐振吸收峰。氧分 电子科技大学硕士学位论文 子的谐振吸收峰在6 0 g h z ，1 2 0 g h z 附近，水分子的谐振吸收峰在2 2 g h z ，1 8 3 g h z 附近。在这些吸收峰之间，形成几个相对衰减较小的“大气窗口”。大气窗口的存 在实际上也使得星间的保密通信得以实行。另外，毫米波有穿越电离层的透射能 力，可用于卫星通讯中。 随着毫米波技术研究的深入，毫米波器件的性能有了重大的提高，正进入广 泛的系统应用阶段。目前毫米波系统的典型应用方向有：1 ) 毫米波雷达系统。2 ) 近距离保密通信系统。3 ) 毫米波无线数据传输系统。4 ) 毫米波卫星通信系统。 5 ) 毫米波障碍回避与自动防撞系统。 1 2 毫米波收发前端发展现状 4 】【8 1 对于各种毫米波系统而言，其收发前端的性能指标往往决定了整个系统的性 能指标。对于前端而言，发射信号要有足够的功率、频率稳定度和频谱纯度，而 接收机应具有足够的灵敏度和动态范围。采用技术上成熟的波导立体电路组成的 前端子系统，由于单个波导部件本身体积大，还要引入一些直，弯，扭波导段过 渡结构来连接极化方向不一致的立体硬件，从而使得系统体积更为庞大、设备更 为笨重、部件之间的接口更多。此外，过多的接口会带来更多的泄漏，使部件之 间彼此干扰，造成高频系统的电磁兼容难以解决，使得系统性能下降。采用混合 微波集成电路( h m i c ) 实现这些系统能够在一定程度上减小系统体积和重量，但 设备体积和重量的减小、可靠性的提高程度有限。而采用微波单片集成电路 ( m m i c ) 能极大的减小了系统的重量和体积。所以国外现在很多关于毫米波收发 前端的报道是基于微波单片集成电路的设计。其中一些典型的典型研究成果如下： 1 ) k k o j u c h a r o w 等研制的用于宽带无线通信系统的6 0 g h z 收发前端。该前 端采用m m i c 技术，集成了5 6 8 g h z 的锁相本振源、6 2 6 6 g h z 的功率放大器、 上下变频器。其在6 2 6 5 g h z 频段范围内输出功率超过1 7 d b m ，5 6 8 g h z 的本振源 输出功率为8 d b m ，相噪7 0 d b e h z 。接收机噪声系数为7 5 d b ，增益为2 0 d b 。 2 ) w i n f r i e dm a y e r 等研制的7 7 g h z 八通道f m c w 前端。采用d d s + p l l 技术来 实现调频源。由于采用m m i c 技术，其体积很小。主要技术指标为：频带为7 6 1 0 - - 7 6 9 g h z ，发射功率1 3 7 d b m ，偏离载波1 0 k h z 为- 7 7 d b c h z ，频率线性度小于 0 5 ，接收通道增益为2 3 d b ，噪声系数小于4 d b ，收发隔离度大于4 4 d b 。 3 ) s h a r pc o r p o r a t i o n 的a t s u s h iy a m a d a 等研制的6 0 g h z 收发前端，其主要 用于点到点视频的传送。传输带宽为1 1 g h z ，发射功率1 0 m w ，相位噪声 第一章绪论 1 0 3 d b c h z ( 1 0 0 k h z ) ，天线增益2 1 d b i ，接收机噪声系数小于8 d b ，镜像抑制度 大于3 0 d b c 。 与国外相比，国内对毫米波m m i c 前端组件的研究起步较晚，主要集中在采 用混台微波集成电路( h m i c ) 的技术来构建毫米波前端。其中一些典型的典型研 究成果有： 1 ) 邹涌泉等研制的k a 波段前端，采用混合集成技术，实现了在3 5 8 3 6 1 g h z 频段内，输出功率大于3 5 0 m w ，本振相位噪声小于一8 2 d b c h z l k h z ，接收机噪声 系数小于3 0 d b ，总增益大于5 0 d b 。 2 ) 甘体国等研制的k a 波段应答机前端，采用混合集成技术，主要技术指标 为：发射机输出频率3 5 5 g h z ，发射功率2 7 0 m w ，边带抑制大于3 0 d b ，接收端噪声系 数小于5 d b ，总功耗小于4 w 。 1 _ 3 毫米波固态源发展现状【9 】1 【1 4 1 毫米波信号源是毫米波前端的心脏，其质量优劣可以决定系统质量优劣。甚 至可以说，这些毫米波系统的发展和成功应用在很大程度上都可以归结于毫米波 源的可实现性。通常，信号源的频率稳定度对毫米波系统的稳定性有着较大的影 响，信号源的相位噪声特性对毫米波接收机的灵敏度、通信系统的误码率、雷达 系统的分辨率等性能具有较大的决定作用。为了实现高性能的毫米波系统，就要 求信号源具有高稳定度、低相位噪声、低杂散、足够的功率等特性。 可以直接获得毫米波固态源的方式有两种，一种是毫米波锁相源，一种是毫 米波振荡源。可以间接获得毫米波源的方式为倍频方式，即将高质量的微波信号 经过多次倍频得到所需的毫米波频率。采用倍频方式，但是设计倍频器难度较大， 如倍频器的输人输出匹配，较高的输人驱动功率，对杂散的抑制以及对输出信号 的放大等。而采用毫米波锁相的方式，可获得高的频率稳定度，低的相位噪声和 杂散，且毫米波压控振荡器也容易实现。木文中的毫米波收发前端就是采用锁相 的方式来产生稳定的发射源和接收本振源。下面就列举一些国内外有关毫米波锁 相的典型研究成果。 1 ) j a m e sb u c k w a l t e r 等人研制的一种可用于低噪声接收机的小型化毫米波 锁相源，其频率稳定度高，性能指标好，输出频率为8 4 i g h z ，输出功率为5 0 m w ， 相位噪声达到一9 4 d b c h z 1 0 0 k h z 。 2 ) 朱晓维等人提出了一种本振源的稳定度能满足低误码率要求的锁相式频率 电子科技大学硕士学位论文 振荡源的设计方案，由9 g h zv c o 、4 分频器、3 d b 定向耦合器、频率综合器芯片 l m x 2 3 2 5 、环路滤波器和9 g h z 放大器几个部件组成；可达到的指标为：振荡频率 9 g h z ，可调带宽2 0 0 m h z ，相位噪声一7 2 9 d b c h z i k h z ，在控制电压2 5 v 时，线性 度较好。 3 ) 甘体国等人设计的6 m m 波段锁相系统采用双环结构，一个微波环路产生 9 2 g h z 稳定的微波信号作为本振与毫米波v c o 输出信号进行谐波混频，得到的中 频送入第二个锁相环路。其最终指标为，但输出频率为4 6 1 g h z 时，所对应的相位 噪声为一8 8 d b c h z 2 k h z ，杂散优于一6 0 d b c ，输出功率大于4 0 r o w 。 4 ) 鲍景富等人提出的k a 波段频率综合器的研究方案及实现方法，其实施方 案主要包括毫米波主环、微波参考环和中频锁相环的构成，以及用此方法设计实 现的输出频率为2 6 5 4 0 g h z ，频率间隔1 m h z ，相位噪声指标在整个频段内 - 6 5 d b c h z 1 0 k h z ，杂散优于一5 5 d b c ，输出功率大于+ 5 d b m 的频率综合器。 1 4 课题任务及论文结构安排 本课题主要是针对k a 波段相参收发前端的研究。其主要设计的重点在于1 ，) 系统实施方案的设计；2 ) 高稳定8 m m 毫米波锁相源的设计；3 ) 微波低噪声放 大器的设计。拟达到的指标如下： 1 ) 发射载波频率：3 6 4 3 6 5 g h z2 ) 载波频率步进：1 0 m h z 3 ) 发射功率：5 w ( 峰值) 4 ) 发射脉冲宽度：5 0 n s 5 ) 发射脉冲周期：2 0 s6 ) 接收机增益：2 0 d b 7 ) 接收机噪声系数： 8 d b 8 ) 第一本振源频率：低于发射载波频率1 g h z 9 ) 第一本振源功率：2 0 m w 1 0 ) 第二本振源频率：1 g h z 1 1 ) 第二本振源功率：6 m w 在论文写作上，全文共分为六章，主要安排如下：第一章介绍毫米波的特点 及应用，毫米波收发前端和毫米波固态源的发展情况，最后给出系统拟达到的指 标和本文的结构。第二章在比较不同的常见收发方案的基础上确定了本系统的实 施方案。第三章至第五章分别介绍了毫米波锁相源、二倍频本振源和低噪声放大 器三个系统关键的单元电路的设计过程和测试结果。第六章叙述了系统联调的过 程和系统的测试结果。 4 第二章k a 波段相参收发前端系统方案设计 第二章k a 波段相参收发前端系统方案设计 收发前端是毫米波系统的重要组成部分，其性能好坏直接影响整个系统的性 能。设计收发前端，首先确定收发前端的结构形式、系统实现的原理框图。然后 才是具体的各单元电路的设计与测试。本章根据课题的系统指标，给出系统的方 案框图，后续章节将给出各单元电路具体的实现方案。 2 1 接收机方案设计 2 1 1 常用接收机方案【”l 在毫米波系统中，大都采用超外差接收体制，其特点是：把毫米波信号放大 到一定程度后，变为中频信号继续进行放大，达到足够高的电平后，再进行解调。 所谓“变频”，就是把接收到的毫米波信号变为中频信号，而保持其解调( 基带) 信号不变的频率变换的过程。从频域看， 由于频率是从高向低变换，故称下变频， 1 ) 一次变频方案 实际上它是信号频谱在频率轴上的搬移。 也叫混频。常用的变频方案有： 这种方案结构比较简单，天线接收的微弱信号，在经过一个带通滤波器后， 就经过混频器到达一个低通滤波器，在由一个中频放大器进行后续处理。其结构 框图如2 一l 所示： 图2 - 1 一次变频方案 在这种结构中，为了避免镜频干扰，在输入端接有作为预选载波的窄带滤波 器，它对镜像频率分量应有足够大的抑制度。而在毫米波频段，这种窄带滤波器 是很难实现的，应采用有效的镜像抑制技术。这种结构的主要优点是：结构非常 简单，所需成本比其它结构低；避免过多的能量消耗。 电子科技大学硕士学位论文 2 ) 二次变频方案 二次变频顾名思义就是采用两次频谱搬移的方法，将高频信号下移到中频进 行后续处理。总的来说，二次变频主要优点是：低的中频上容易实现相对带宽较 窄，矩形系数较高的中频滤波器，以提高接收机的选择性，而且增益可以从中频 级获得，降低了射频级实现高增益的难度。且可将第一中频设计为高中频的方法 来获得较好的镜像频率抑制。从严格的意义上来讲，二次变频还可以细分为高、 低中频固定和仅低中频固定两种方案。 a ) 高、低中频固定的二次变频方案 其结构框图如2 - 2 所示： 图2 - 2 高、低中频固定的二次变频方案 在这种结构中，对于不同的载波频率，通过改变第一本振的频率，使变频后 的信号正好落在固定频带的中放带宽内。这样中频处理部分可以做成统一的，固 定的，标准化的，这样就大大地简化了系统的设计和结构。 b ) 仅低中频固定的二次变频方案 其结构框图如2 3 所示： 图2 3 仅低中频固定的二次变频方案 在这种结构中，第一本振频率是固定的，通过调谐高中放后的滤波器，选出 所需要的载波，然后再通过调整第二本振的输出频率来维持低中频的恒定。由于 是第二本振的频率较第一本振的频率低，所以在第二本振的频率上实现输出频率 可调较高、低中频固定方案的在第一本振的频率上实现输出频率可调更容易实现。 但是设计通带可变的滤波器也是一个技术上的难题。 第二章k a 波段相参收发前端系统方案设计 2 1 2 接收机框图 根据1 4 节中所拟定的指标要求，并考虑到教研室现有的器件水平，本课题选 用二次变频的技术方案，其具体的结构如图2 - 4 所示： 图2 4 接收蒯l 方案框图 根据图2 4 中各个部分器件分配的指标要求，可以由噪声级连公式计算得到接 收机级连噪声系数为： 龟= 口卜等+ 矧 _ 5 0 1 。1 1 2 0 + 型二! + ! ：堑二! l 6 3 0 9 5 7 6 3 0 9 5 7 0 2 = 6 0 1 6 - 一7 8 d b( 2 - 1 ) 而整个接收机前端的增益为： g a i n = 一7 d b + 3 8 d b 一7 d b - o 8 d b = 2 3 2 d b ( 2 - 2 ) 图2 - 4 中，第一级k a 波段混频器为教研室现有产品，指标满足图中所提要求， 无需重新研制；第二级混频器采用h i t t l e 公司的h m c 2 9 6 ，其性能优良、实用方便。 而需重点设计部分有：1 g h z 低噪声放大器，第一本振源，第二本振源。 2 2 发射机方案设计 2 2 1 常用发射机方案 发射机是毫米波系统中的重要组成，其作用是将已调波经过变频、放大等处 理之后，输送给天馈系统，发向通信对方或探测目标。工作在毫米波频段上的发 射机，有多种方案可选。常用的方案有： 1 ) 变频方案：典型的结构图2 - 5 所示。基带信号对中频载波进行调制，然后 通过频率变换将其变换为毫米波已调信号，最后经毫米波功率放大器放大到足够 湍丑 损刮一低一 黼回 一 咖 一 黧p 小 一一 瑟滕白h 肝，1 化 一 口 竺 凳 b m 化一 帖f ；j 粼9 啦 | | 洲 电子科技大学硕士学位论文 的功率电平。由于是从较低的载波变换到毫米波频段，这种频率变换设备称为上 变频器。 图2 - 5 变频方案 2 ) 倍频方案：典型的结构图2 - 6 所示。基带信号对较低载波进行调制，然后 通过倍频将其变换为毫米波已调信号。最后通过功率放大器达到足够的功率电平。 一圈旦波 图2 - 6 倍频方案 3 ) 注入锁定方案：典型的结构图2 7 所示。这种结构常用于毫米波脉冲发射 体制中。高稳定连续波小信号被注入到自由振荡的脉冲频率源中，当处于锁定状 态时，脉冲频率源的载波频率将与注入连续波频率同步。这种方法不仅能实现稳 定的脉冲频谱输出与功率的放大，且较上两种方案更为简洁。 2 2 2 发射机框图 图2 7 注入锁定方案 脉冲输出 根据1 4 节中所拟定的指标，发射机应产生峰值功率为5 w 的毫米波脉冲信号， 并要求其载波可在1 0 0 m h z 范围内可变。结合教研室以往关于毫米波脉冲发射机 的研究基础和教研室现有的器件水平，本课题选用的注入锁定技术方案，其具体 的结构如图2 - 8 所示： 第二章k a 波段相参收发前端系统方案设计 脉宽5 0 n s重频周期：2 0 u s 注锁带宽1 0 0 m h z 峰值功率5 w 图2 - 8 发射机方案框图 由于要求的脉冲功率较高，所以采用了三级注入锁定放大的方案。由图2 - 8 可见三级注入锁定的方案，结构较复杂且调试难度较大。考虑到时间的问题，这 个部分电路的具体设计与调试工作由课题组其他同学承担。本人只负责锁相激励 源的设计与调试工作。 2 3 相参性方案设计 所谓的相参收发即是指发射源的频率与接收机本振的频率有相干性。早期的 毫米波系统多采用非相参信道，设备简单，但性能较差。随着毫米波技术的日见 成熟，近几年研制的毫米波系统多采用相参体制。相参的收发前端能极大提高了 系统稳定性，改善系统对微弱信号的检测能力。 综合考虑前面接收机和发射机方案，本课题拟采用如图2 - 9 所示的原理框图。 图2 - 9 相参性方案框图 在图2 - 9 中，采用同一晶振源为收发两个毫米波锁相环作参考频率，以实现收 9 电子科技大学硕士学位论文 发的相参性。两个毫米波锁相源，一个作为图2 8 中的注锁脉冲放大链的激励源， 另一个作为图2 4 中的第一本振。在图2 - 9 中，利用了毫米波锁相源中的5 0 0 m h z 锁相中频信号，将其二倍频放大滤波作为图2 4 中第二本振，这样做的目的是为 了确保收发的相参性。关于5 0 0 m h z 锁相中频信号的具体产生方法涉及到毫米波锁 相环路的设计，将在下章中进行详述。 至此，本相参收发前端的系统实施方案已基本确定，下面的三章将介绍本系 统中，本人所设计的三个单元电路的设计过程与测试结果。 1 0 第三章毫米波锁相源设计与测试 第三章毫米波锁相源设计与测试 3 1 锁相环基本理论【1 6 l 【1 7 3 1 1 锁相环工作原理 锁相环( p l l ) 是一个相位跟踪系统。图3 1 示出了最基本的锁相环方框图。 它包括三个基本部件：鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c o ) 。 图3 - 1 基本锁相环框图 设参考信号： “，( f ) = us i n c o ，t + b ( f ) 】 式中u 为参考信号的幅度 乱为参考信号的载波角频率 o a t ) 为参考信号以其载波相位旺f 为参考时的瞬时相位。 是未调载波时，讳( f ) = 砩= 常数。 设输出信号： ( 3 1 ) 若参考信号 u o o ) = u o c o s ( o o t + 最( f ) ( 3 - 2 ) 式中乩为输出信号的幅度 峨为压控振荡器的自由振荡角频率 o a t ) 为输出信号以其载波相位m o t 为参考的瞬时相位。在v c o 未受 控之前它是常数，受控后它是时间的函数。 则两信号之间的瞬时相位差为： 皖o ) = 【( o f f + 占， 一 c o o t + 包( f ) = ( c o c o o ) t + o r o o ( f ) ( 3 - 3 ) 由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为： 电子科技大学硕士学位论文 垡绁：功一c o 一 (34)o d o o ( t ) 础以 现在我们简述图3 1 中三个部件的工作原理。鉴相器是相位比较装置。它把输 出信号u o ( r ) 和参考信号u r ( f ) 的相位进行比较，产生对应于两信号相位差o ( t ) 的误 差电压u d ( f ) 。 环路滤波器的作用是滤除误差电压b g d ( f ) 中的高频成份和噪声，以保证环路所 要求的性能，提高系统的稳定性。 压控振荡器受控制电压b l c 0 ) 的控制，1 2 c ( f ) 使压控振荡器的频率向参考信号的 频率靠近，也就是使两者频率之差越来越小，直至消除频差而锁定。 现在让我们简要介绍整个锁相环的工作原理。首先鉴相器把输出信号( f ) 和 参考信号u r ( r ) 的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差包( f ) 大小的误差电压 蝴( f ) 。u d ( f ) 经过环路滤波器的过滤得到控制电压u c ( f ) 。b l c ( f ) 调整v c o 的频率向 参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等而相位同步实现锁定。锁定后两信 号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即： l i m d o a t 型：o ( 3 5 ) d t 此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率( 控制电压虬( f ) = 0 时 的频率) ，其偏移量由式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 得到为： d o o ( t ) ：，一。 ( 3 6 ) 讲 。 这时输出信号的工作频率己变为： 刍c o o t + o o ( f ) 】- 铫+ d o o ，( t ) ：q ( 3 - 7 ) 由此可见，通过锁相环路的相位跟踪作用，最终可以实现输出信号与参考信 号同步，两者之间不存在频差而只存在很小的稳态相差。这种独特的功能在构成 锁相频率合成器时是十分有用的。 在图3 1 所示的锁相环的反馈支路中，插入一个分频器( ) 就可构成一个 最基本的单环锁相频率合成器，如图3 2 所示。 图3 - 2 单环锁相频率合成器 第三章毫米波锁相源设计与测试 在图3 - 2 中，鉴相器不是直接比较参考信号和输出信号，而是比较输出信号分 频后的信号。在环路锁定时，鉴相器两输入端的信号频率相同，即： z = 厶 ( 3 8 ) 正是v c o 输出频率工经n 次分频后得到的，即： 兀= 工 ( 3 9 ) 所以输出频率 工= 脱 ( 3 1 0 ) 是参考频率，的n 倍。 这样，环中带有可变分频器的p l l 就提供了一种从单个参考频率获得大量频 率的方法。 3 1 2 锁相环相位模型 要对锁相环各种性能做定性分析，需先建立锁相环个基本部分的相位数学模 型，然后根据基本部分的相位模型得到整个环路的相位方程。 3 1 2 1 鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位b ( f ) 与反馈信号相位 口：( f ) 之间的相位差e o ( t ) ，输出的误差信号( f ) 是相差占。o ) 的函数，即 屹o ) = s e 。( f ) 】。鉴相特性厂p 。o ) 可以是多种多样的，有正弦特性、三角特性、锯 齿特性等等。常用的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型， 如图3 - 3 所示： n o , ( t ) 图3 - 3 正弦鉴相器模型 设相乘系数为k m 【单位为l v ，输入信号k ( f ) 与反馈信号k ( f ) 经相乘作用： k 。k ( f 圯o ) = k 。u ，s i n a ) 。t + o ，删+ u 。c o s c o 。t + o 。( f ) 】 = 三足。u , u os i n 2 。r + 乱( f ) + 口：o ) 】+ 1 k 。u , u os i n p ，o ) 一目：( r ) 】( 3 - 1 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 再经过环路滤波器( 相当于一个低通滤波器) 滤除2 成分之后，得到误差电 址： v a t ) = 去足。u , u 。s i n 暇( f ) 一p ：( f ) 】 ( 3 1 2 ) 令o ) = ( 1 2 ) k 。u ；u o 为鉴相器的 最大输出电压，令臼。( f ) = o l o ) 一0 ：o ) ，则 ( f ) = u as i n 0 。o ) ，这就是正弦鉴相特性 ( 如图3 - 4 所示) 。鉴相器的电路是多种 多样的，总的可以分为两大类：第一类是 相乘器电路，它是对输入信号波形与输出 v d ( t ) - 八朋 。 锄。v 加7 图3 4 正弦鉴相器特性 信号波形的乘积进行平均，从而获得直流的误差电压；第二类是序列电路，它的 输出电压是输入信号与反馈电压过零点之间时间差的函数。故这类鉴相器的输出 只与波形的边沿有关，而与其他波形参量无关。这类鉴相器适用于方波( 它可以 由正弦波通过限幅得到) 输入，其通常用于数字电路构成。 3 1 2 2 环路滤波器 环路滤波器具有低通特性，它可以起到低通滤波器( l p f ) 的作用，更重要的 是它对环路参数的调整起着决定性的作用。常用的环路滤波器有r c 积分滤波器、 无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器。 a ) r c 积分滤波器 这是一个结构最简单的环路滤波器，电路构成如图3 - 5 所示( 注：圪o ) 为鉴 相器输出电压，k ( f ) 为v c o 输入电压，以下同) ，其传输算子为： f o ) = 去 ( 3 式中x j = r c 是时间常数，这是此种滤波器的唯一可调参数。将式子中的p 换成 s 或_ ，就可以得到这种滤波器的传递函数和频率特性。图3 - 6 为该滤波器的频率 特性曲线。可见它具有低通特性，且相位滞后。当频率很高时，幅度趋于零，相 位滞后接近兀2 。 p 。( t ) 第三章毫米波锁相源设计与测试 v d v d t ) 图3 - 5r e 积分滤波器的组成 ，、 妒( ) c ( t ) o ( o ) 0 - 4 5 9 0 2 0 1 9f ( j c o )，d b l 。 r o j l r 功 图3 - 7r c 积分滤波器的组成 图3 6 幅度和相位频率特性 b ) 无源比例积分滤波器 这种滤波器的电路构成如图3 7 所示。其传输算子为 式中t i = i + r 2 ) c ，r 2 来灵活性。 将式子中的p 换成s 或，就可以得 到这种滤波器的传递函数和频率特性。图 o 3 - 8 给出了该滤波器的频率特性曲线。可见， 它也是一个低通滤波器。当频率很高时： 3 f 咖) 2 i 蒹( c o - - o o ) ( 3 - 1 5 ) 等于电阻分压比，这就是滤波器的比 例作用，网络具有非理想积分因子，故可 称之为非理想比例积分滤波器。 c ) 无源比例积分滤波器 它由运算放大器和r c 网络组成，电路 构成如图3 - 9 所示。 妒( 国) “。) o 4 5 9 0 ( 3 1 4 ) 这就给环路设计带 2 0 1 9f ( j c o ) ，d b 、 n r 国 | |厂 图3 - 8 无源比例积分滤波器的特性 电子科技大学硕士学位论文 v d f 图3 - 9 有源比例积分滤波器的组成 此滤波器的传输算子为： f 。) 一a 等 t ) 0 p ( ) “o ) 0 4 5 2 。l gf ( j c o ) d b 八 ， ， 船 图3 - 1 0 有源比例积分滤波器特性 式中q = 似，+ a r 。+ r 2 ) + c ，r ：= r ：+ c ，a 是运算放大器无反馈时的电压增 益。若a 很高。则： f ( p ) 一鬻( 3 - 1 7 ) 式中负号表示滤波器输入和输出电压之间相位相反。其负号与有源比例积分 滤波器的负号相抵消。对环路的工作没有影响，因此分析时不予考虑。故传输因 子可以近似为： f 0 ) ：生盟 ( 3 - 18 ) p r , 将式子中的p 换成j 或j o j ，就可以得到此滤波器的传递函数。而算子又可以 写成： f 0 ) = 旦+ 上 ( 3 - 1 9 ) t lp r , 即为比例环节与理想积分环节之和，故又称此滤波器为理想比例积分滤波器。 理想比例积分滤波器的频率特性曲线如图3 1 0 所示，可见它也具有低通特性，由 于1 印是一相位超前因子，这种滤波器也可以改善环路的稳定性。同样，两个参 数f 。和f ：也给环路的设计带来了灵活性。 3 1 2 3 压控振荡器 压控振荡器是一个电压一频率转换装置，在环路中作为被控振荡器，它的振 1 6 第三章毫米波锁相源设计与测试 荡频率应随输入控制电压k 0 ) 线性地变化，即应有变换关系： ，( r ) = 0 9 d + k o v c ( t ) ( 3 2 0 ) 式中。( f ) 是压控振荡器的瞬时角频率：凰 为控制灵敏度或称为增益系数，单位是 r a d s v 1 。 实际应用中的压控振荡器的控制特性只有 有限的线性控制范围，超出这个范围后控制灵敏 度将会下降。图3 1 1 中的实线为一条实际压控振 荡器的控制特性，虚线为符合方程的线性控制特 性。由图可见，在以0 9 。为中心的一个区域内，两 者是吻合的，故在环路分析中我们就用方程作为 压控振荡器的控制特性。由于压控振荡器的输出 jl w v j g o0 厂 彳 r 0 u c 图3 - 1 1 压控振荡器的控制特性 反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压o ) 起作用的不是频率而是相位。 v c o 的瞬时相位： jc o y ( r ) 如= f + k 。j _ ( r 冲 0 2 ( r ) = k 。f v a t ) d r 改写成算子形式： 0 2 ( f ) - k 由上式可得v c o 的数学模型如图3 1 2 v c ( t ) 所示。从模型上看，压控振荡器具有一个积 一 分因子1 p ，这是相位与角频率之间的积分 ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) 遇塑 关系形成的。锁相环路中要求压控振荡器输 图3 一1 2 压控振荡器的模型 出的是相位，因此，这个积分作用是压控振 荡器所固有的。故通常称压控振荡器是锁相环路中的固有积分环节。这个积分作 用在环路中起着相当重要的作用。 如上所述，压控振荡器应是一个具有线性控制特性的调频振荡器，对它的基 本要求是：噪声电平低，控制灵敏度高，控制特性的线性度要好，线性区域尽 可能的宽等。而这些要求之间往往是矛盾的，设计中要折衷考虑。 3 i 2 4 环路相位基本方程 根据前面分析所得环路三个基本部件的模型，按图3 1 的环路构成，将三个模 电子科技大学硕士学位论文 型连接起来即得到环路的基本模型，如图3 1 3 所示。可以看出这是一个相位负反 馈的误差控制系统，称作相位模型。 图3 1 3 基本p l l 相位模型 由图3 1 3 相位模型可得： 巩( f ) = 胡( r ) 一晓( r ) 唧) ：k 。! 盟厂 日删 p 联立上述方程可得图3 1 3 的环路方程： ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) p o 。( f ) = p o l ( t ) 一k o f ( p ) f o 。( r ) ( 3 - 2 6 ) 令，【眈( r ) 一u 。s i n o , c t ) ，可得图3 1 3 所示的环路基本方程： p 乱( f ) = p b ( f ) 一k o u d f ( p ) s i n 见o ) ( 3 2 7 ) 3 1 3 锁相环跟踪性能分析 3 1 3 1 环路相位基本方程的物理含义 根据环路的构成可以得到锁相环路的相位模型( 图3 1 3 ) ，由此可以推导出锁 相环路基本方程3 2 7 式。如果令k = k o u ，则有： p o , ( f ) = p o , ( f ) 一k f ( p ) s i n e o ( f ) ( 3 - 2 8 ) 足= 是环路增益，单位视世。而定，为r a d s 或h z 。在固定频率输入时， 右边第一项代表固有频差一，第二项代表控制频差，是由控制电压o ) 加至 v c o 而引起振荡频率，相对于自由振荡频率0 9 。的频差，因此该动态方程又可描 述为： 瞬时频差= 固有频差一控制频差( 3 - 2 9 ) 在环路开始工作的瞬间，控制作用还没有建立起来，控制频差等于零，故环 路的瞬时频差就等于输入的固有频差。在捕获过程中，随着控制作用的增强，控 制频差逐渐增大，瞬时频差随着减小：直到环路进入锁定状态，瞬时频差等于零。 第三章毫米波锁相源设计与测试 3 1 3 2 环路传递函数 当环路在同步状态时，瞬时相差以o ) 很小，鉴相器工作在鉴相特性的零点附 近，可以近似为线性特性，此时k d = u 。( 单位v r a d ) ，k = k 。k 。，这样可以得 到线性相位模型如图3 1 4 所示。 一土 一i ! 厂 二! 型厂 二：! _ 一 e 图3 一1 4 锁相环路的线性相位模型 凼此，锁相环路的线性化动态方程为： p 见o ) = p b ( r ) 一x f ( p 娩o ) ( 3 3 0 ) 再化成频域中的表达形式，便可以迸一步求出锁相环路的开环传递函数 h 。s ) 、闭环传递函数h o ) 以及误差传递函数。o ) ，分别为： 日。0 ) ：k f ( s ) ( 3 3 1 a ) 州= 锱= 焉= 端 s 鼬) = 锱= 未南= 硼1 伊。1 c ) 如，对于采用无源比例积分滤波器的二阶环，由f o ) ：翌可得： i + 盯， 啡盘型 净。， 日。g ) ：j 掣 ( 3 - 3 2 a ) h 。o ) = t ( 3 3 2 b ) 世一q + 、， 蔓q 芷+ 一q ，l s+ 2 s 电子科技大学硕士学位论文 。堕+ 墨 矾卜习蠡菲 - 3 2 c ) l l l 通常用无阻尼振荡角频率c o n 和阻尼系数亡来表示系统传递函数，相应地可把 公式( 3 - 3 2 ) 表示成c o 。和f 的函数，即： “一 日e g ) 2 矗兹 ：鬟嘉0 ) 2 ( 3 - 3 3 a ) ( 3 3 3 b ) 其中， ”雁f = 精( r 2 + i 1 ) ( 3 - 3 3 c ) 当0 f 1 时为过阻尼系统，响应 为单调上升曲线；f = l 是临界阻尼系统，响应无过冲现象。 3 1 3 3 环路稳定性 在分析环路的各项跟踪性能时，都已假设环路处于同步状态，即系统是稳定 的。实际上，由于锁相环路是一个负反馈控制系统，必定存在是否稳定的问题， 当它的开环增益大于1 、同时开环相移又超过，r 时，系统就有可能振荡起来，因此 是不稳定的。从闭环传递函数来看，假如至少有一个闭环极点位于s 平面的右半平 面，则系统是不稳定的。 判断环路稳定性的方法有劳斯霍尔维茨代数准则、根轨迹法或奈奎斯特准则。 在工程上，常用锁相环路开环频率响应的伯德图来判定闭环稳定性。为了确保环 路稳定，通常要求相位裕量在3 0 。6 0 。之间。 对于无源比例积分滤波器的二阶环，根据其开环频率响应 日。o 啦= 丽k ( i 丙+ j a 丽r 2 ) ( 3 - 3 4 ) 2 0 第三章毫米波镄相源设计与测试 作出开环伯德图( 图3 1 5 ) ，可以看出环路相位裕量约等于口2 ，这种环路由于具 有超前校正因子更加趋于稳定。 图3 1 5 采用无源比例积分滤波器的二阶环开环伯德图 3 1 4 锁相环相位噪声分析 3 1 4 1 相位噪声 相位噪声是指信号源中，由各种随机噪声所引起的输出信号瞬时频率或相位 的起伏，它表征的是信号源输出频率的短期稳定性指标，是高稳定度、高纯度频