（电磁场与微波技术专业论文）高稳定度k波段锁相振荡源的研制.pdf

高稳定度k 波段锁相振荡源的研制 摘要 随着王= 二f ：甬售技术的发展，高性能的频率源被广泛的使用，而在这一领域的 应用中，频率源的相位噪声性能是很重要的指标。它将影响到整个系统的误码率， 接收灵敏度等重要指标。采用具有高q 值的介质谐振器稳频振荡器( d r o ) 的 锁相源可以提供较低的相位噪声。本文介绍了一种k 波段频率源的研制方法， 该频率源要求具有良好的相位噪声性能，因此采用分谐波锁相式振荡源，锁相环 路中的压控振荡器采用推推( p u s h p u s h ) 式d r o ，它可以更加有效的提高有源器 件的工作频率，改善系统的噪声性能。本文首先介绍了该频率源的设计背景及电 路方案，然后介绍了锁相环路、电调谐介质谐振器稳频振荡器( v t - d r o ) f 1 4 j 设计 过程。并对振荡源的相位噪声性能进行了较详细的分析，最后，给出了设计实例 及仿真结果。由理论分析、软件仿真结果可知：在相同的条件下，如果参考源的 相位噪声良好，分谐波采样式锁相源与直接分频式锁相源相比可得到更低的输出 相位噪声，锁相振荡源的带外噪声将主要由环路中的压控振荡器所决定。因此提 高压控振荡器的有载品质因数将改善振荡源的总体噪声性能。，因此在设计巾，选 用了具有低噪声基底、高截止频率( 7 0 g h z ) 、高集电极电流容量的锗化硅材料 的n p n 晶体管，有利于提高系统的噪声性能。另外与基波振荡器相比，推一推 f p u s h p u s h ) 式d r o 可进一步降低振荡器的相位噪声。由于这一特性，它正在毫 米波电路中得到广泛的应用。， 关键词锁相环分谐波采样相位噪声 推一推式介质谐振振荡器 t h ed e s i g no fh i g hq u a l i t yk - b a n dp h a s e l o c k e d 0 s c i l l a t o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，t h eh i g hq u a l i t yf r e q u e n c y s o u r c e sa r ew i d e l yu s e d i nt h e s ea r e a s ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e so f f r e q u e n c ys o u r c ei sp h a s en o i s ea l o wp h a s en o i s ef r e q u e n c ys o u r c ew i l li m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s u c ha sb i te r r o rr a t e ，r e c e i v es e n s i t i v i t y e t ci n t h i sp a p e r , t h ed e s i g no fak b a n dp h a s e - l o c k e do s c i l l a t o ri sp r e s e n t e di tu s e s s u b - h a r m o n i cs a m p l i n g p h a s e - l o c kl o o p a n d p u s h - - p u s h d i e l e c t r i cr e s o n a t o r o s c i l l a t o r ( d r o ) o fh i g hq u a l i t yf a c t o rt os u p p r e s si t sp h a s en o i s ef i r s t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n db l o c kd i a g r a mo ft h i sf r e q u e n c ys o u r c e ，a n dt h e n i n t r o d u c e st h es c h e m eo ft h es u b - h a r m o n i cs a m p l i n gp h a s e - l o c kl o o pa n dp u s h p u s h d r of i n a l l yi tg i v e st h ea n a l y s i so fp h a s en o i s ea n de x p e r i m e n tr e s u l t si ts h o w st h a t i ft h es a m ev c oa n dr e f e r e n c es o u r c ea r eu s e d ，t h ep h a s en o i s eo ft h es u b - h a r m o n i c s a m p l i n gp h a s e l o c kl o o pw i l lb el o w e rt h a nt h a to fad i r e c td i v i s i o np h a s e l o c kl o o p t h eo u t b a n dn o i s eo ff r e q u e n c ys o u r c ei sd e t e r m i n e db yt h a to fv c oi t s e l fi nl o o p ， t h e r e f o r et h eo v e r a l lp h a s en o i s ep e r f o r m a n c ew i l lb ei m p r o v e d ，i fh i g hq u a l i t yf a c t o r v c 0i su s e dt h el o wp h a s en o i s e p o t e n t i a l o fk b a n dv c ou s i n gn p n s i l i c o n g e r m a n i u mt r a n s i s t o rw i t hl o wn o i s ef l o o r , h i g hc u t o f ff r e q u e n c y ( 7 0 g h z ) a n dh i g hc o l l e c t o rc u r r e n tc a p a c i t yh a sb e e ns t u d i e di n d e t a i li ta l s os h o w st h a t ， c o m p a r e dt o f u n d a m e n t a lo s c i l l a t o r ，t h ep u s h p u s hs t r u c t u r ep r e s e n t e dh e r ec a n s u p p r e s sp h a s e n o i s e f u r t h e r , m a k i n g i tm u c ha t t r a c t i v ei nm i l l i m e t e rw a v e a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s p h a s e - l o c k e dl o o p s u b - - h a r m o n i cs a m p l i n g p h a s en o i s e p u s h p u s hd i e l e c t r i cr e s o n a t o ro s c i l l a t o r 学位论文独创性声明 v9 3 8 0 g 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加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，也不包含为获得东南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了谢意。 签名：耻日期：出2 中 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：址翩虢监监曰肌型盘巡 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 近些年来，随着卫星通信，雷达，电子对抗，高频测试仪表的各种毫米波系 统的广泛应用，推动了对高性能，低价格毫米波信号源的需求。在一些高性能的 电子系统中，对长期频率稳定度和相位噪声的要求很高，一般达到 一l o d b c h z l k h z 以上。锁相振荡源由于其稳定度高和噪声性能好等优点，成为系 统的首选方案。在谐振电路方丽，介质谐振器具有体积小，重量轻，q 值高，结构 简单，价格便宜的突出优点，将其应用于微波振荡源中，可以明显的降低振荡器 的相位噪声，有效的改善振荡器的频率温度稳定性能。将p u s h p u s h 结构应用于 介质谐振器稳频振荡器中，能够在器件不变的前提下有效的提高输出频率。 卜1 微波锁相振荡源的发展现状 锁相环路( p l l ) 是一个相位负反馈系统，具有载波跟踪特性，作为一个窄带 跟踪滤波器，可提取淹没在i 噪声之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定。现有 的分频式锁相环路产品己实现了集成化、数字化和多样化，具有多种功能，能满 足多种应用。 虽然分频式锁相源己具有高集成度和低相位噪声等优。氧，但是分谐波采样鉴 相电路相较于直接分频鉴相电路中没有直接分频器，它可以提供更低的输出相位 噪声，在一些先进的精密仪器中已得到应用。并且，由于采样鉴相电路中要用到 电感线圈以实现差分输入和谐振回路，所以很难制成集成芯片而大规模生产。因 此，分谐波采样式锁相源仍然需要从基本电路做起，实现采样、锁相等功能。 卜2 分谐波采样式锁相源的研制方案与设计工具 首先，以分谐波采样鉴相器和k 波段介质谐振器稳频振荡器( d r o ) 的设计为 中心，用i o o m h z 晶振作为参考源，研制分谐波式锁相源。系统结构如图卜1 所示。 分谐波采样鉴相器是整个锁相电路中的核心器件，由一个脉冲产生电路产生 与参考源信号( 1o o m h z ) 同频的窄脉冲信号，使其驱动采样电路，对压控振荡器 产生的高频信号进行采样，然后通过电压保持电路输出低频的相差信号来调节压 控振荡器的输出。这就是锁相环路的基本工作原理。 在锁相环路中使用i o o m h z 的品振作为参考源，要求它的相位噪声低、温漂小， 这样可以提高整个锁相源的噪声性能，减小温度对输出频率的影响。 在环路中用直流放大器放大相差信号，增加环路同步带宽。另外，由于是分 谐波式采样，我们还设计了扩捕电路来增加整个环路的捕捉带宽。同时增加失锁 警告电路，指明环路的状态。 东南大学硕士学位论文 圈l1 系统框图 环路滤波器采用二阶比例积分滤波器。与其他类型的滤波器比较，它对直流 输入具有放大作用，并且在放大系数远大于l 时，滤波器变为理想的比例积分滤 波器。环路带宽及滤波器电路中的各元件值的选定主要有以下三个方面来决定： 环路相位余量，捕捉时间和输出相位噪声。 压控振荡器的性能关乎整个频率源的性能，为了得到满意的噪声性能，我们 采用具有高q 值的介质谐振器作为压控振荡器中的选频和稳频器件，采用 p u s h p u s h 结构的设计来进一步有效的提高输出频率和噪声性能。 高频电路的设计不同于低频电路，随着频率的升高以及相应的电磁波波长变 的可与分立电路元件的尺习相比拟时，电阻、电容和电感这些元件的电响应将开 始偏离它们的理想频率特性。传统的设计方法往往采用简化的模型，忽略一些寄 生参数和边缘场效应，使得理论计算与实际电路之间存在很大的差别。在选择合 适的电路结构和器件后，主要靠实验调试的结果反复修正电路，使之满足预定的 技术指标。其设计b , j 间长，工作效率不高，而且很难得到最佳的电路结构和最优 的性能。为了尽可能高效的研制出符合性能指标的电路，我们采用微波电路c a d 软件来帮助我们设计电路并仿真它的性能。 微波电路c a d 软件一般都具有精确的传输线模型和各种微波部件模型，采用 电磁方针等数值仿真工具，具备s 参数分析、直流分析、谐波分析、瞬态分析、 噪声分析等多种功能。现在已经广泛的应用于微波及毫米波电路的设计。 本文采用了a g i l e n t 公司的微波与射频电路设计软件a d v a n c e dd e s i g n , s y s t e m ( a d s ) ，a d s 主要用于v t d r o 和锁相电路的仿真和优化。 东南大学硕士学位论文 第二章分谐波采样锁相环 2 1 锁相环的原理与分类 锁相的过程就是自动控制完成相位的同步。能够实现两个电信号相位同步的 自动控制系统叫做锁相环路。精确的说，就是一个系统中由振荡器产生的输出信 号在频率和相位上与参考信号或输入信号同步。 锁相环路一般包括三个基本部件：压控振荡器( v c o ) ，鉴相器( p d ) 和环路 滤波器( l f ) 。鉴相器是相位比较装置，他把参考源信号与振荡源信号的相位进行 比较，产生对应 二两信号相位差的误差电压u 。( ，) 。环路滤波器的作用是滤除误差 电压( f ) 的高频成分与噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压 控振荡器受控制电压虬( f ) 的控制，使压控振荡器的输出频率向参考信号的频率接 近，电就是使两者的频率差越来越低，直至消除频率差而锁定。 根据鉴相器的不同，我们可以把锁相环分为直接分频式锁相环和分谐波式锁 相环，两者的方框图如下： 参考 参考 直接分频式锁相环 分谐波式锁相环 图21 两种锁相环路的框图 号 弓 由图可见，除了鉴相器不同外，分谐波式锁相环比直接分频式锁相环少了一 个n 分频器。在参考源一定的前提下，分谐波锁相环适合锁定高频率的振荡信号， 而且可以提供比直接分频式更优的相位噪声性能。这将在后文中详细描述。 由于本文研制的是k 波段点频源，所以采用分谐波式锁相环。 p 雩 铲 鼍瓣 东南大学硕士学位论文 2 - 2 分谐波锁相环的分析 2 - 2 1 分谐波采样鉴相器 分谐波采样鉴相器是分谐波锁相环的核心部件，一般的分谐波采样鉴相器和 正弦波采样和脉冲采样两种。本文采用的是脉冲采样，脉冲采样鉴相器由三部分 组成：谐波发生电路、采样电路和保持电路。其电原理图如下： l e f e r e i n p u 、l m i c r o l 一厂_ 竺 、3 ( 一厂， 。jl弋 l _ r 、 白t l s u b h a r m o n i c s a m p l i n g h o l d i n g g e n e r a t o rc i r c u jtc i r c u i t c i r c u i t 图2 - 2 分谐波采样鉴相器的电原理图 p u t 谐波发生电路实际上就是一个脉冲产生电路，它产生参考源信号各次谐波频 率的脉冲，再用其驱动采样电路，对压控振荡器产生的高频信号进行采样，最后 通过保持电路输出低频相差信号。 谐波发生电路中，由i o o m h z 的参考源信号激励阶跃恢复二极管产生一个窄脉 冲信号v ( t ) ，其周期为7 1 ，宽度为了一。其表达式如下： p ( f ) 即刊，= ( ：印麓言潞一竹( 2 - 2 - 2 ) 上式中，p 为正整数，为采样脉冲的固有延时。对( 2 - 2 一1 ) 式做傅立叶级 数展开，得到： u ( f ) = c 。，p “ ( 2 2 3 ) 可以看出他的傅立叶级数展开式中包含了无穷多个聆u 的频谱分量，其中： 东南大学硕士学位论文 c ，= 点+ u 。q ) e - i n t 幽 将式( 2 - 2 1 ) 代入( 2 - 2 4 ) ，得到： c 。= 1 ，岫f p 一- t t + r - ；n u t 础 ：鲁士e - j m n 咄 1 - e r 】 _ _ 1i 由干ej n 川：1 所 r a 7 - 乙”一= _ 一 型竺：竺：! 竺。心一叫： 聆ut 2 式中只= 了2 7 f 一，。将( 2 - 2 - 6 ) 代入( 2 - 2 - 3 ) 得 ( 2 2 4 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 5 ) u 一卜。塞等+ 鬻署州一v 埘 。剞 ：华+妻半型掣。os(，+。只一。，2)7 2 z鲁：n ，r ， 、一7 式( 2 - 2 7 ) 就是窄脉冲的频谱表达式，是一个衰减的离散抽样函数，它包含 了无穷多个土，? 咄印= 0 ，1 ，2) 的频谱分量。 采样电路实质上是一个开关，由采样脉冲u i ( f ) 控制此开关，使其周期性( 周 期为z ) 地闭合。通过采样来l t 较两个信号的相位，输出的采样。- 囊信号是一个与相 位差有关的离散低频电压。 用谐波发生电路得到的窄脉冲去驱动采样电路，令采样射频信号为 s ( t ) = u 。s i n ( w d + o o ) ，因此，采样点的信号为： z ( f ) = u ：( 1 ) 一s ( t ) = 竿s i n ( c o o t + 吼) + 。r f 2 - 2 8 ) 妻墨竽型竺生三堕 。i 。( w + 目。+ ，蚪 鲁巧 1 7 q7 _ 2 ，。一。 1。 n o , 一f i l u i t 2 ) + s i n ( w o t + 0 0 一门u ，t 一”包+ n u ：r 2 ) 采样点信号工( f ) 输出到保持电路，由于保持电容c 。对高频分量旁路，在q 上 建立起具有低频分量的输出电压。( t ) 。其表达式如下： 一查堕查兰婴主兰生笙茎 啪) 3 半篙等s i n ( 蚪o o 川抛们) ( 2 - 2 - 9 ) 其中q = 一尼- 峨，并且一叶 n o ) 时g ( 加) = 0 ，也就是保持电 路将对参考源频率的各次谐波有很强的抑制作用，可降低剩余脉冲对相差电压的 影响，从而提高锁相环路的性能。另外，当“j = 2 时，保持电路传递函数g ( 刖) 的相移为- t r 2 ，加上压控振荡器的一7 r 2 相移，整个环路的相移为一7 r ，这样就有 可能引起环路的自激，所以要减小环路在高频时的增益，但这样也会引入负的相 移，所以在设计时应注意研究环路的相位余量或增益余量，以免引起环路自激。 低频电压经过保持电路输出的电压就是相差电压，我们令相差电压为乩( f ) 。 我们有： u 。o ) = u 。0 ) o g ( t ) ( ) = 乩。( 弘) - g ( 弘) 将( 2 - 2 9 ) 进行傅立叶变换后得到： u 。( j u ) ( 2 2 一1 2 ) ( 2 2 一1 3 ) 一e - i ( o ok o + k 叶“2 1 占( u + n ) ( 2 - 2 1 4 ) 我们将( 2 - 2 一1 1 ) 和( 2 - 2 - 1 4 ) 代入( 2 - 2 1 3 ) ，经整理后得到 啪垆珥r 筹 一变亘查堂堡圭堂堡望奎 一p 删。k o i + k w j r2 - - o l w i ) 6 ( u + n ) 】s i n ( t r ：, f _ 2 w ) 7 r l2 u 再将( 2 2 1 5 ) 经过傅立叶反变换得： 啪剐丁砜篱爷掣【e l ( o o - k s , + k r 1 2 1 w , ) - - ：j 扩 + p ，o o 鸩+ 呐t 2 - - t d p ，1 2 4 =4r，c，o皇筹裂sin(qr+oo-ko+kwjl2-trfk ) ” t 2f 2 u 、。 ( 2 - 21 6 ) 一般的，由于r 远远小于1 ，并且在捕捉带内有q ，于是我们将( 2 - 2 一1 6 ) 进行化简得到： u d ( f ) = k - s i n ( 0 1 一包) ( 2 - 2 17 ) 上式中： k ：爿r 玑s i n ( k , c o i , 1 - 2 ) “ k 一t 2 0 l = “o f + o o 式( 22 1 7 ) 就是分谐波鉴相器的理想数学模型。 当被采样信号的频率为参考源信号频率的整数倍时，即n ：0 时，保持电路的 输出将是个直流电压。若被采样信号的频率不是参考源信号频率的整数倍，保 持电路将离散的样品电压变成连续的阶梯电压，从而大大提高r 鉴相器输出电压 中的平均误差控制分量，提高了环路的控制能力。 假如压控振荡器的频率工在采样频率z 的n 次谐波附近，就可以通过环路本 身的控制作用，将工锁定在z 的n 次谐波上。反之，若用压控振荡器的输出作为 采样信号，对参考源信号进行采样，在参考源信号频率等于采样脉冲频率的整数 倍时，环路也是可以锁定的，从而可以实现n 次分频。 如果压控振荡器的调谐范围覆盖了，的n 次谐波和n + 1 次谐波，那么环路就 有可能错锁在n - l - 1 次谐波上。所以振荡器的中心频率一般选在f 的n 次谐波附近， 调谐范围应小于z 。同时由于振荡器的巾心频率在高低温时存在较大的漂移，因 此调谐范围也应大于振荡器的温漂。 东南大学硕士学位论文 2 - 2 2 环路滤波器 环路滤波器在锁相环电路中对相差信号起低通滤波作用，除此之外，它还对 许多环路参数诸如环路的噪声性能、跟踪性能、捕获性能和环路稳定性等等都有 着重要的影响。 一般的，锁相环的环路滤波器有以下四种常见类型：r c 积分滤波器、无源比 例积分滤波器、有源比例积分滤波器、有源积分滤波器。它们的电原理图如下所 示： u rr i r c 积分滤波器 r 1 j ? v u i ( t ) r 2c 无源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器 c ( t ) 。( t ) 图23 几种环路滤波器的电原理图 比较以上几种滤波器，有源比例积分滤波器对直流分量有相当的放大，当放 大倍数远远大于l 时，滤波器变为理想的比例积分滤波器。本文采用二阶比例积 分滤波器作为环路滤波器。 设计一个环路滤波器之前，还需要知道两个重要的环路参数：相位余量和环 路带宽。 东南太学硕士学位论文 所谓相位余量就是指锁相环开环增益为l 时，它的相位与一“的差值。环路带 宽是锁相环开环增益o d b 处的带宽。 锁相环是一个负反馈系统，对一个负反馈系统，如果它的开环增益大于l ，同 时开环相移又超过”，那么就有可能产生自激。在实际应用的环路中，不但要求环 路是稳定的，而且要求它远离临界稳定状态。所以，在开环增益等于1 时，开环 相移要有一定的相位余量妒。 相关试验表明，当相位余量妒小于2 0 度时，环路往往是不稳定的；当相位余 量妒火于8 0 度时，往往是不能实现的，会算出负的元件值；在这里取相位余量妒为 5 0 度。 环路带宽u 是锁相环电路最重要的环路参数。较小的带宽可以降低杂散、提 高跟踪性能，较大的带宽可以提高调制和捕获性能，减少锁定时间。考虑到研制 的是k 波段点频源，并且增加了扩捕电路大大提高了p l l 捕捉能力，所以不需要 很大的环路带宽，就以减小相位噪声为目的，决定环路带宽u 。归算到鉴相器输 入端的参考源、采样鉴相器和环路滤波器总噪声与v c o 自由振荡的噪声作比较， 一般的，u ，就取在两者的交点上能够得到理想的环路带宽。在这里，我们取环路 带宽u ，为2 5 k h z 。 环路滤波器的电路图如f 所示： 图24 环路滤波器电原理图 上图中为二阶比例积分滤波器，其传递函数为： 肌，= 等考器岽糍 为了简化并方便分析，我们令： 苤塑查兰堡主兰垡堡茎 a = r 。一 r z 。= ( r + 咒) c 。 x 2 = r 3c l 也= ( r 4 + 玛) c z x 4 = r 5c 2 于是我们的得到： 日( j u ) = 爿- 丽1 + c o x 1 ，而1 + r i o x 3 ( 2 - 2 - 1 9 ) 式( 2 2 1 9 ) 中a 为滤波器的直流增益，右边的第一个子因式为滤波器的前 级，具有滤波和放大的双重作用，用小电容g 滤除高频杂波；后级在运算放大器 之后，为右边第二个因式。 环路带宽峨为2 5 k h z ，相位余量妒取为5 0 。，根据环路带宽和相位余量的定义 我们得到 k dk 、。4 “ l + ( “。x 2 yf 1 ! 竺：墨2 ： v1 + ( ”x ，) 2n l + ( o a 。x 。) 2 = 7 r 一7 r 2 + a r c t g ( c o 。x 2 ) + a r c t g ( “cx 4 ) _ 日哪 ( 五j a r c t g ( c o 。墨) 一( 2 2 2 1 ) 1 5 0 。 。 上式中k 。为分谐波鉴相器的鉴相灵敏度，单位是矿脚；k 。是v c o 的调制 灵敏度，单位是删( s 矿) ；当满足式譬i 。：。= o 时，三阶的锁相环路可以得到最 优的捕获时间，此时有： 羔+ 端一端一特2 。2 2 2 2 浦的黧擀戮嚣徽焉掣嚣纛墨嚣鬻筵鬣 源的各次谐波和一些外部的高频干扰，为j 进一步滤际逸坚向捌万里或个水雕 在图2 4 中环路滤波器的电容g 应用小电容为宜，当g 取值很小时，相应的五与 x 的值就比较小，从( 2 2 2 0 ) 式可以看出，当五与五的值比较小时，五与丘 就相应的要大，也就是c ：的值取得要比较大。进一步的近似考虑，我们假设 ( 。，置) ：。o ，( u 。x ：) z o ，并且取r ：咒4 ：1 ，也就是z ：z o 2 ，将式 查堕查兰堡主堂竺堡苎 ( 2 - 2 2 0 ) 和( 2 2 2 1 ) 化简如下 k - k 。a u f 1 + ( - 蜀) 2 v 1 + ( 玛) 2 a r c t g ( w 。五) 一a r c t g ( u 。墨) 一0 8 a r c t g ( w 。) = 一4 0 。 ：- x4 下面我们根据具体的参数计算该滤波器中各个元件的参数值，根据仿真结果 得到压控振荡器的调谐灵敏度量。为5 m h z v ，鉴相灵敏度彪。为o h z v ，设直流 增益a 为5 ，环路带宽2 5 k l t z ，环路相位余量为5 0 度。 在这里由于开环增益很大，我们可以认为茎生竺! 翌! u 。 1 ，所以( c 叱置) 2 1 。 得到： 也= 言厅万玎 ( 2 _ 2 2 6 ) ：x 、 篙兰筹羞等措刊矿 、一：- x x3 七：x i - x4 + ：x 3 xa 。 根据以上三式，利用计算软件m a t i a b 可以计算出： o1 7 6 00 3 5 1 63 02 l 根据前文所述将c i 取得尽量小，相应的将巴值取得较大。令g 为2 0 0 p f ，巴为 2 5 0 n f ，便可以计算出环路滤波器中其他各个元件的参数值，得： 曷21 7 6 0 n ，j r 2 = 7 0 5 0 f 2 ，马= i 7 5 0 f 2 ，心= 5 6 8 _ q ，民= 8 4 f 2 2 - 2 3 锁相环中的扩捕电路 锁相环从失锁到锁定的过程是个捕捉过程，它需要一定的时间；为了能够 使得频率源在各种不同的环境和条件下正常的工作，我们在锁相环路中增加扩捕 电路用来提高整个电路的工作性能。 络 东南大学硕士学位论文 根据锁相理论，当v c o 扫描速率r 。 2 时环路就有可能最终锁定。为保证 较高的捕获概率，一般取“。2 ，其中r ，_ 2 n 辔世。删s 2 ， 为扫描周期，a v 为扫描电压的变化范围。忽略z ，、x ：的作用，可得自然相应频 轨= 压。 扩捕电路就是在负反馈环路的内部增加一个正反馈环路，当负反馈环路失锁 时，正反馈网络的增益大于1 ，扩捕电路起振，输出扫描电压，牵引v c o 入锁。当 环路锁定利，环路的负反馈增益大于正反馈增益，将迫使v c o 的控制电压按环路 同步规律变化，则扩捕电路不起振。其原理图如下： 图2 - 5 扩捕电路原理图 实际上它是一个锯齿波发生器，锯齿波发生电路可由s m i t h 触发器制成，图 中右边为运算放大器，左边的运放作为比较器。参考电平为助c 2 ，以保证扫描电 平的上升时间与下降时间相等。似设t = o 时，比较器输出高电平v c c ，通过r 5 向 c l 充电，当右边运放的电压下降到一定程度后，比较器发生翻转，此时，c l 开始 放电直到比较器再次翻转。 当环路锁定时，v c o 的控制信号被锁定在恒定的电平上，此时比较器输出的电 平存在两种可能。假设比较器输出高电平v c c ，对电容c 1 充电使屹( f ) 增大。由于 环路负反馈的作用使采样鉴相器的输出变大，而v c o 的控制信号不变，此时右边 的运放正、反相输入端的电平都变大了。与失锁的情况不同，充电电流，可通过电 阻r 1 分流。当运放输入端电平。满足一定条件时，充电电流，完全被r 1 分流， 不再对c l 充电了。 东南大学硕士学位论文 2 2 4 锁相环中的失锁警告电路 为了能够监测到频率源的工作状态，我们在环路中增加失锁警告电路来得知 频率源的工作状态是否1 _ l 三常。 该电路的功能就是在环路锁定时，输出低电平；环路失锁时，输出高电平。 其电原理图如下： 图2 - 6 失锁判别电路的电原理阁 当环路锁定刚，第一个比较器输出恒定电平，不能通过隔直电容c 1 。此时电一 容c 2 上的电压为0 v ，失锁警告电路的输出为低电平。 当环路失锁h n 第一个比较器输出与扩捕信号同频的方波，可以通过隔直电 容c l 。由于检波二极管的作用，方波的负电平部分被滤除了，正电平通过电阻r l 列电容c 2 充电。当c 2 上的电压大于0 2 v c c 时，比较器2 输出高电平，再经过电 阻r 4 和稳压管d 3 ，最终得到稳定的警告电平。 比较器l 正眺后，电流由c l 流向c 2 。取c = e = c = i # f ，时间常数r c 2 等于扫描周期的1 2 0 ，得置z3 2 k f ) 。最终，c 2 上的电平接近吃，使得第二个比 较器输出高电平，产生了警告信号。 当环路重新锁定，c 1 不再对c 2 充电，c 2 就通过r 2 放电。当c 2 上的电压小 于o2 v c c 时，比较器2 翻转输出低电平，警告信号就消失了。 一查亘查堂婴主兰垡笙奎 第三章介质谐振器稳频振荡器( d r o ) 分析 介质谐振器( d r ) 具有体积小、重量轻、高q 值和结构简单、价格便宜等突 出优点，它已经在微波中继通信、移动通信、卫星通信、雷达、电子对抗等领域 得到了广泛的应用，将其应用于微波振荡器后，具有以下主要优点： 高的频率温度稳定性 对环境( 气压、湿度) 的稳定性 低的f m 噪声 结构紧凑，价格低廉 低电压，低功耗 无寄生振荡 可调谐( 机械调谐，电调谐，磁调谐，光调谐) 3 一l 介质谐振器特性及等效电路 3 - 1 1 介质谐振器的主要指标 在微波固态源中常用的介质谐振器有矩形、圆柱形和圆环形。介质谐振器主 要的三个指标为：q 值、频率温度系数下，和介电常数s ，。为了达到高q 值的要求， 材料对微波信号的介质损耗必须很低，般的，q 值主要决定于介质的内部损耗， 可以用q o = l l t g 0 9 6 时，陋0 1 。模是谐振器的主模。严格求解孤 1 4 东南大学硕士学位论文 立介质谐振器的电磁场分布是很困难的，对它们的分析，通常采用混合磁壁法或 开波导法，一般能满足计算谐振频率所需要的精度。 图3 - 1 圆柱形介质谐振器的7 。s 模 e 我们采用混合磁壁法分析，将处于自由空问中的圆柱形介质谐振器四周的边 界上下延伸到无限，成为无限长圆柱形磁壁波导。根据m a x w e l l 方程和边界条件， 可得z e 。、模式的参数： k 。l = s 7 r + 2 a r c t g ( o 。k z ) 世：2 + ，0 1 ：2 = ( s ，一1 ) 墨2 工= 寺k 、，2 + k 。2 。一了i f 、“、，1 z “or ( 3 一l 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 一l 一3 ) ( 3 一l 一4 ) 其中，a 为圆柱体半径、l 为圆柱体高度、k 。为d r 内部的0 向传输常数 ( = 0 时无r 向分量) 、k 。为d r 内部的z 向传输常数、：为d r 外的z 向传输常数、 s 为模式数( 对于珥。模s o ) 、k ，“等于零阶贝塞尔的第一个根2 4 0 5 。 自由空间孤立d r 的谐振频率z ，可由下面的公式估算 f ( c h z ) 2 杂( 爷4 5 ) ( 3 - i - 5 ) 该公式是经验公式。当o5 d l 2 和3 0 l ；稳态条件：r 。r 。= 1 ，即： 查重查兰望主堂竺丝塞 f 。8 一“l r 。i e - m = 1 ，得到 j 1 1 小州引2 南2 击刊挖睁： 1 一2 q = - 4 - 2 n t r 玎= 0 、1 、2 由上式我们可以设计出合适的微带线长度，通常n 取0 使得鼠最小，但是物理 t - d r 有定的大小，为了在制作p c b 版时，不使d r 压到晶体管上，取n 为适当 的正整数来延长8 的电氏度。 从晶体管集电极向左看去的反射系数为： r o 一$ 2 2 一- 。篝昔刊护( 3 - 2 - 4 ) 式中的s 参数为晶体管发射极接地的等效s 参数。由振荡条件得知：lr 。i 1 ， 即振荡器输出端向左看去的阻抗具有负实部，呈负阻状态。 第三部分的输出网络实际上是有个三端口功分器构成的功率合成匹配网 络，本文采用了w i l k i n s o n 型功分器，其电路原理图如下： z o 4 2 9 0 = 孵 f o 图3 - 9w i l k i n s o n 功分器的电原理图 图中上下两根微带线的特性阻抗为芝2 。，z o 为从端口看过去的等效输入阻 抗，为5 0 n ；电长度为频率2 五时的g q 分2 _ - - 波长，五为基波频率。右边的微带线 特性阻抗为5 0 f 2 。 东南大学硕士学位论文 3 - 3d r o 电路的仿真 3 3 一l 有源器件的选择 在压控振荡器电路当中，有源器件的闪烁噪声( 1 f ) 是输出相位噪声的一个 主要来源。因此，有源器件的选择将很大程度上决定振荡器的噪声性能的好坏。 与f e t 管比较，双极型晶体管具有更低的相位噪声，双极型晶体管的相位噪声一 般比f e t 管在载频 1 0 0 k h z 处低6 - 1 0 d b ，在管子特征频率砟能达到的情况下，一般 选月i 双极型晶体管。因此p u s h p u s h 式d r o 的一大优点在于由： 作在低频段的微 波双极型晶体管上获得高频段的微波功率输出。在这里我们选择英飞凌公司的 b f p 6 4 0 ，它具有优良很高的增益和噪声性能，根据英飞凌公司提供的说明，b f p 6 4 0 在6 g h z 处的噪声系数仅为1 3 d b 。 选定期间后，首先确定它的直流工作点，根据英飞凌公司提供的参考偏置电 路，我们先计算出器件的偏置电压，仿真图如下： 图31 0b f p 6 4 0 的直流分析 于是利用上述值作为初始值，刺其直流工作点进行测试，仿真原理图利b p f 6 4 0 t 1 , q 出特性曲线如下图所示，因变量，。是自变量的函数，。是参变量，上图 中标记出的m l 点就是b p f 6 4 0 在电路中的直流一i ：作点，其t 作电压和电流如下： v a = 24 2 1 7 ，j c = 、29 m a ，ib b = 3 9 f f a 。 嚣一 至亘查兰堡主兰堡望茎 2 4 e p a r a m s w e e p s w e e p l s w e e p v a r = ”i b b 。 s t a r l = 2 0u a s t o p = 1 0 0u a s t e p = 1 0u a 图31 1 晶体管直流工作参数分析 d c d c l s w e e p v a r = 。v c e ” s t a r t = - 0 s t o p = 5 s t e p = 00 1 厂，i 扩 扩 彭 驴 矿 - 扩| m l ：l 毽 v c e = z4 2 u b b = 00 0 0 0 4 0 c f 0 0 1 3 0 00 510152 02 53 03 54 04 55 0 v c e 图3 1 2b f p 6 4 0 的直流工作点曲线 目b = 60 0 0 e - 5 b b = 20 0 0 e 5 东南大学硕士学位论文 3 - 3 2p u s h p u s h 式d r o 的s 参数仿真 r 般的，振荡器电路中的有源器件在稳定工作时的工作状态是饱和状态，呈 现非线性；但是，在做非线性仿真之前，仍可以用s 参数仿真以提供初步的电路 布局，预测振荡频率的大致位置，确定电路是否符合起振条件，决定起振器的模 型，设计出匹配网络。 在a d s 软件中，我们采用图3 - 5 所示r l c 等效电路来代替d r ，r l c 电路中的 电器元件具体参数值的计算我们使用t r a n s t e e hd e s i g ng u i d e s 软件进行计算， 计算结果见图3 - 6 。d r 与微带线之间的耦合系数由理想变压器的变压比n 来调整。 先按照3 2 节中的计算公式计算出各段微带线的大致长度，然后使用a d s 中 的o p t i m 工具列各段微带线进行优化，将整个电路的起振条件 d b ( s 1 1 ) 1 ，p h a s e ( s 1 1 ) ：o9 w h e n2 34 5 g h z 2 35 5 g h z 作为优化的目标。 s 参数仿真电路图如下所示： 图3 - 1 3p u s hp u s h 式d r o 的s 参数仿真 在经过优化和微调后最后的s 参数仿真与等效输出阻抗结果如下 东南大学硕士学位论文 _ l 1 j 诗d b 4 ( a 2 n ： 35 0 g1 4 z ， i i v g 1- ；ps f1 ) p 1 |、 f ， 篙= 2 35 0 6 i 缒 m a l y g , & , g ps ( 1 j 乒3 t ： 贰f jq 心纠) 一7 ， 图31 4s 参数仿真结果 由图3 一1 4 可以看出，在2 3 5 g h z 处，d b ( s 1 1 ) 为1 0 2 4 d b ，右边的史密斯圆图 则显示s 1 1 曲线与实轴的交点大于1 ，说明电路在2 3 5 g h z 可以起振，满足振荡条 件。 、 憾r e 忡= 2 3 5 0 g 怔 。 z i n l = 一1 l i r ”q ( s ： 5 0 g h z ，。l 坛 1 n ，r 一，7 ， | ，一。7 一 i， y iy 国3 1 5 端口等效输出阻抗 图3 一1 5 显示的是端1 3 的等效输出阻抗，我们可以看到，在2 3 5 0 h z 处，输出 阻抗的实部为一9 4 ，虚部为1 7 6 5 ，接近于0 。从负阻振荡原理分析，这也是满足 振荡条件的。 琵峭砑鍪酗一 东南大学硕士学位论文 3 - 3 3p u s h p u s h 式d r o 的非线性仿真 在完成了对振荡电路的s 参数仿真之后，我们确定了电路的结构，检验了环 路满足振荡条件，但是，这些还远远不够，我们还需要进一步确定振荡电路的输 出功率。另外，我还需要对整个电路的输出相位噪声进行分析，这些都需要用非 线性仿真来实现。 在a d s 中，非线性分析方法有很多种，在这里我们采用谐波平衡法( h a r m o n i c b a a n t em e t h o d ) 来对电路进行非线性分析。这种分析方法通常将网络分为线性 与非线性两部分，加入瞬态大信号源激励，在非线性部分测出节点电压，经过傅 立叶反变换，将电压变为时域变量。随后计算非线性部分的电流，再经傅立叶变 换变成频域变量，与频域中的先行部分节点电流比较。根据基尔霍夫的电流法则， 检验误差是否满足容限，若满足则可以得出结果。否则，修改非线性部分节点电 压依次迭代，直至得到最后的结果。 进行非线性分析时，我们必须首先知道有源器件的大信号模型，而且，考虑 到在k 波段内，器件的封装可能会对整个电路的特性产生较大的影响。所以我们 必须在仿真时将此因素考虑进去，根据英飞凌公司提供的资料并进行相应的修正 以后，我们得到b f p 6 4 0 在相应频段内的大信号封装等效模型如下： 图3 1 6b f p f i 4 0 的大信号模型 1 1 jo mm f = 1 q b i f f 0 日f i f t ：o o n 一0m ost i = 1 m h = 1 ，w 一 w 0 0 0m 肝j ：0 “t h n 1 5 咿口5 ：0 印1o t b 2 1