一种多环路锁相环频率源设计

一种多环路锁相环频率源设计

1宽带频率源设计微波频率集成器是探测雷达、通信、电子对抗、微波测量仪器等网络系统的核心部件。它的性能优缺点直接影响到整个网络系统的总体性能。复杂电子系统内部的频率源往往要求同时具有宽频带、低相位噪声、高分辨率等指标。目前国外大公司设计的频率源部件代表了该领域的世界最高水平,如安捷伦公司最新的信号源产品,在输出3~10GHz频率范围内,频率分辨率能达到1mHz,相位噪声指标达到-114dBc/Hz@10kHz。相比之下,国内宽带高分辨率频率源产品的相噪指标仍有5~10dB的差距,同时兼顾这几项指标的优秀产品并不多见。以这几项指标的实现为主线,介绍了一种基于锁相技术的多环路宽带微波频率合成器实现方案。该方案与国内以往设计方案相比,在保证宽频带及高分辨率的情况下,在低相位噪声指标上有明显突破,进一步缩小了与国外先进水平的差距。2相环系统的相位噪声分析2.1输出时效锁定控制锁相环(PLL)是一个闭环相位负反馈控制系统。它的功能是使输出信号的瞬时相位跟踪输入信号的瞬时相位变化,从而实现相位的自动锁定。当环路处于锁定状态时,其输出相位和输入相位保持一个固定的相位差,输出瞬时频率等于输入瞬时频率锁相环系统主要是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)3个基本部件组成。其基本组成结构如图1所示2.2锁相环路相位噪声影响模型噪声和干扰具有随机性,要具体分析极为困难。锁相环的噪声主要来自参考源、鉴相器、分频器、环路滤波器及压控振荡器等图2给出了锁相环路线性相位噪声模型由图2可得到如下关系:当环路带宽以内增益很高时,式(1)可近似写为:环路滤波器是锁相环的重要组成部分,它对锁相环性能调整起着重要作用,对环路输出相位噪声有重要影响3多环路方案方案本项目要求实现一个4~8GHz宽带低相噪高分辨率频率合成器,具体指标如下:频率范围:4~8GHz-96dBc/Hz@1kHz;-106dBc/Hz@10kHz;由于本项目要求实现同时具有低相位噪声,高分辨率及宽频带等指标,采用单个锁相环难以实现,因此考虑采用多环路方案方案简图如图3所示。本方案主要由4个锁相环组成,分别是参考环相环、小数分频环、高纯环相环、YTO锁相环。下面详细论述各环路的实现方案。3.1采用二次频率参考转换方法,生成属于同一频率的特性,这也是造成罪犯分区内点内受内部低噪声、自组织减低噪声参考锁相环是实现高纯频率合成的基石,它将直接决定最终输出的频率稳定度和近端频谱纯度。在设计中采用了低相位噪声的恒温晶体振荡器、低噪声锁相技术和倍频技术实现,其主要优点是电路原理简单、体积小、噪声低。为了降低频率合成时锁相环路的倍频次数,以得到更好的边带噪声,采用二次频率参考转换的方法即把100MHz压控振荡器锁定在内部的10MHz恒温时基上,使100MHz的输出既获得了恒温时基的频率稳定度和优于100MHz压控振荡器的近端相位噪声,又获得了优于恒温时基的远端相位噪声。然后100MHz振荡器的输出经过分频及倍频生成频率合成所需要的参考频率。参考环实现低噪声关键在于压控晶体振荡器(VCXO)的设计。在振荡电路的选取上,采用低噪声偏置电路,合理设置振荡器工作点及晶体激励功率,并让晶体处于串联谐振状态。在元器件的选择上,选用截止频率高、低噪声、小电流的三极管做振荡管,而且振荡管的1/f噪声要小。晶体选用高Q值的SC切型晶体,其内部封装电容小,频率精度和温度稳定度要高,在振荡频率附近不能有其他谐振点,电阻电容也选择损耗小的高Q值器件。3.2基于实际器的治疗大流量用户一般在系统高纯频率合成中发挥着重要作用小数分频技术是实现高分辨率低噪声频率合成器的重要技术手段之一。由于项目要求实现1mHz的高分辨率,仅采用整数分频的锁相方案已无法满足要求,必须引入小数分频技术。小数分频不仅是实现整个频率合成器高分辨率的决定性技术,而且由于小数分频的输出在系统高纯频率合成中是作为YTO环的参考频率,根据锁相频率合成的基本原理,它的相位噪声将直接影响到整机输出的近载波相位噪声。小数分频的核心思想是使锁相环的反馈分频比不局限于整数,而可以是小数N.F。它采用整数分频的平均效应来实现,其分频部分由双模前置分频器、可编程计数器和逻辑控制单元组成3.3振锁相环噪声分析YTO产生的微波信号的下变频需要通过取样混频的方式实现,取样本振的边带噪声会直接叠加到中频输出上,并以20logN(N为取样谐波次数)的速度恶化取样本振的噪声高低和取样谐波次数的大小会直接决定中频输出的带内噪声好坏。因此,高纯本振锁相环的设计将是频率合成器能否实现低相噪指标的关键。根据YTO调谐方程,在保证高纯环低相噪的情况下,降低取样谐波次数,可减小对相位噪声的恶化。因此,方案采用了较高的频率范围来设计高纯环。通常锁相环振荡器的反馈方式为分频方式,即VCO信号经过N分频后与参考频率鉴相。由锁相环系统的噪声理论可知,参考频率的相噪将恶化20lgNdB。所以,分频比N越大,VCO输出的相噪越差。因此,为降低因环路反馈分频器引入的噪声,振荡器的反馈方式采用混频方式,即VCO与参考环输出的参考信号混频得到反馈信号,与参考信号进行鉴相。混频参考和环路参考分别是由参考环中的晶体振荡器直接倍频产生。高纯锁相环原理如图5所示。3.4相位噪声跟踪YTO锁相环是建立在参考环、高纯环及小数环锁定的基础上。其中小数环提供鉴相频率参考,而高纯环提供高纯取样本振在普通的锁相环路中,VCO输出在环路带宽内的相位噪声只能跟踪参考源的相位噪声。在YTO环路中,使用2个参考频率,所以输出相位噪声跟踪2个参考源的相位噪声之和。在本方案中,高纯环的输出相位噪声是最后输出信号相位噪声的主要来源。YTO环路的主要部件是YIG调谐振荡器(YIGtuneoscillation),即YTO。它的工作原理是铁氧体磁性谐振,谐振频率是其内部的YIG(钇铁石榴石)小球的位置函数,而且要用磁场来改变振荡频率YTO环路的相位噪声主要是2部分:取样器输出的中频信号的相位噪声(由高纯环路倍乘产生的微波信号相位噪声)和低频部分输出的参考信号相位噪声。由于低频部分参考的相位噪声频率较低,所以与微波频率的相位噪声相比较可以忽略。因此,在环路带宽内,YTO的相位噪声主要跟踪来自高纯环的倍乘信号的相位噪声。4gx-qp测试本文的重点目标是研究频率源在实现宽频带及高分辨率指标的情况下,如何使相位噪声指标进一步提高。经过对该频率合成器的测试,输出频率范围达到了4~8GHz,且频率分辨率达到了1mHz。表1是利用Agilent公司E5052B信号源分析仪测试该频率合成器相位噪声的结果。6GHz测试曲线如图7所示。由以上的测试数据可以看出,在整个输出频段内频率点均达到了设计要求。其中频偏1kHz处指标比要求好了5dB左右,频偏10k处指标有3~5dB余量,而100kHz相噪设计余量较小。在输出频率4~8GHz全频段内的相噪指标的平衡度起伏有3dB,且越往高端相噪越差,这是由于高端点锁相时所用高纯环的取样谐波次数高,因而相噪恶化较多,导致最终输出信号相噪比低端信号差。上述测试结果显示,该方案成功的实现了设计目标,相噪指标方面已接近国外先进水平。5更低相位噪声指标给出了一种高频率分辨率低相位噪声的宽带微波频率合成器实现方案。方案采用了基于锁相技术的多环路结构,利用了每个环路各自的优点,使其在低相位噪声、高分辨率、宽频带等方面实现了较高的指标,可应用于各种微波通信及测量设备。通过该项目的研究发现,除了继续优化好各个环路的相噪指标外,最大限度的减小YTO信号在环路内部的恶化是降低相位噪声的关键。此外,设