基于諧波混頻的高性能頻率合成器

范吉偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十一研究所 山東 青島 266555）

0 引言

頻率合成器作為信號(hào)發(fā)生的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用在各類電子設(shè)備中。隨著無(wú)線電通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備對(duì)頻率合成器的性能要求越來(lái)越高，體積要求越來(lái)越小。因此，設(shè)計(jì)高性能，小體積的頻率合成器具有很實(shí)際的意義。目前寬頻段、高頻率分辨率、低相位噪聲的頻率合成器一般采用帶有YIG振蕩器的鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但YIG振蕩器有其固有的缺點(diǎn)：首先是體積大，不利于頻率合成器的小型化設(shè)計(jì)，其次YIG振蕩器是電流型器件，受電路中電流和溫度的變化影響較大，驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜[1]。與YIG振蕩器相比，VCO具有體積小，功耗低、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是覆蓋的頻段窄，相位噪聲差。但隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，VCO覆蓋的頻段越來(lái)越寬，而性能指標(biāo)也越來(lái)越好。雖然目前VCO的噪聲同YTO相比還是有很大的差距，但是本文通過采用諧波混頻方式，并利用寬帶低噪聲鎖相環(huán)路有效抑制了VCO的噪聲[1]，獲得了接近于YTO頻率合成器同樣的性能指標(biāo)。

1 寬帶頻率合成方式

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，合成寬帶頻率信號(hào)常用的方法是鎖相環(huán)，主要有以下三類[2－3]：

1.1 將高頻振蕩器的輸出進(jìn)行分頻，然后與低頻的參考信號(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

1.2 將高頻振蕩器的輸出與相近頻率的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，然后與低頻的參考信號(hào)進(jìn)行鎖相，控制高頻振蕩器的輸出，實(shí)現(xiàn)混頻的功能1.3 將低頻振蕩器的輸出進(jìn)行倍頻，然后與高頻的參考信號(hào)進(jìn)行鎖相，控制低頻振蕩器的輸出，實(shí)現(xiàn)分頻的功能

合成5-10GHz的微波信號(hào)，采用倍頻鎖相的方法需要頻率很高的參考，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分辨率。采用分頻式鎖相，需要先將振蕩器的輸出進(jìn)行N次分頻，來(lái)獲得與參考信號(hào)頻率相同的信號(hào)，在環(huán)路處于理想的情況下，振蕩器輸出信號(hào)的相位噪聲要比相同頻偏處參考信號(hào)差20log（N）。采用混頻式鎖相，振蕩器輸出信號(hào)的相位噪聲將取決于參考信號(hào)和混頻的本振信號(hào)，沒有參考信號(hào)的倍頻噪聲惡化。所以采用混頻式鎖相要優(yōu)于采用分頻鎖相和倍頻鎖相。

2 頻率合成器方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 方案設(shè)計(jì)

頻率合成器采用混頻鎖相方式，原理框圖如圖1所示。

圖1 混頻鎖相環(huán)原理框圖

VCO反饋輸出信號(hào)fRF與本振信號(hào)fLO混頻，得到低頻的中頻信號(hào)fIF，fIF濾波后輸入到鑒相器，與參考信號(hào)fR鑒相，控制振蕩器的輸出fOUT，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，fOUT、fRF、fLO、fIF和fR之間存在如下關(guān)系：

fR由小數(shù)鎖相環(huán)產(chǎn)生，頻帶較窄，但是具有很高的頻率分辨率。fLO是一個(gè)具有粗分辨率的本振信號(hào)，鎖相環(huán)工作時(shí)，先通過設(shè)置本振信號(hào)的頻率，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行粗調(diào)，然后設(shè)置參考信號(hào)頻率，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行精調(diào)，將振蕩器輸出準(zhǔn)確的鎖到設(shè)定頻率點(diǎn)上。振蕩器的頻率范圍是5-10GHz，這要求與fRF混頻的本振信號(hào)頻率范圍也在5-10GHz范圍內(nèi)。生成該本振信號(hào)的方法有幾種：一是，直接用一個(gè)與輸出信號(hào)相同頻段的振蕩器來(lái)合成；二是，通過將低頻信號(hào)N次倍頻來(lái)獲得；三是，直接取低頻本振信號(hào)的N次諧波。前面兩種方法采用的是基波混頻方式。由于混頻的本振信號(hào)頻率較高，頻帶較寬，使用基波混頻合成的電路比較復(fù)雜，增加了成本和體積。采用第三種方法合成的本振信號(hào)頻率比較低，頻帶比較窄，具有很高的頻譜純度，在電路上也比較容易實(shí)現(xiàn)。使用本振信號(hào)的諧波與輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，對(duì)混頻出來(lái)的中頻信號(hào)的噪聲不會(huì)造成惡化，并且電路簡(jiǎn)單，有助于頻率合成器的小型化設(shè)計(jì)。混頻后的中頻信號(hào)，除了包含參與鑒相的低頻信號(hào)，還包含fRF與fLO其它次諧波混頻的信號(hào)，這些多余的信號(hào)如果輸入到鑒相器，會(huì)使VCO的輸出產(chǎn)生大量雜散，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致環(huán)路失鎖，因此要消除這些多余的雜散信號(hào)。由于這些信號(hào)的頻率要遠(yuǎn)高于期望中頻信號(hào)的頻率，可以用低通通濾波器將這些混頻產(chǎn)生的高頻信號(hào)濾掉，低通濾波器接在混頻器之后。

2.2 噪聲分析

從圖1中可以看出，振蕩器輸出噪聲主要來(lái)源于鎖相環(huán)的三個(gè)輸入信號(hào)。鎖相環(huán)的噪聲傳遞方程如下所示[4]：

由于Z′（S）濾的是中頻信號(hào)，截止頻率相對(duì)環(huán)路帶寬要寬很多，將它近似為常數(shù)

令 KO=KVCOKPDFZ′（S），

KC=KVCOKPDF，則有：

從式6可以看出，鎖相環(huán)對(duì)于參考輸入信號(hào)噪聲和混頻本振輸入信號(hào)噪聲都有低通濾波的作用，而對(duì)于VCO預(yù)置電壓噪聲是起帶通濾波的作用，這要求降低參考輸入信號(hào)和混頻本振信號(hào)的低端噪聲，降低VCO預(yù)置電壓帶內(nèi)噪聲。參考輸入信號(hào)和混頻本振信號(hào)都是通過鎖相環(huán)產(chǎn)生的，通過合理設(shè)置這兩個(gè)環(huán)路的帶寬，可以使這兩個(gè)信號(hào)的噪聲滿足環(huán)路要求。

2.3 VCO預(yù)置

采用諧波混頻方式進(jìn)行鎖相頻率合成，需要將輸出信號(hào)混頻成與參考頻率相等的中頻信號(hào)。鎖相前，如果不對(duì)VCO進(jìn)行預(yù)置，VCO初始頻率可能偏離設(shè)定頻率很遠(yuǎn)，此時(shí)混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)頻率較高，如果高于低通濾波器的截止頻率，中頻信號(hào)就會(huì)被濾掉，不會(huì)反饋到鑒相器的輸入端，造成環(huán)路失鎖。即使中頻信號(hào)低于低通濾波器的截止頻率，不被濾掉，并且鎖相環(huán)最終能鎖定，VCO的輸出也可能與設(shè)定的頻率不同，這是因?yàn)榇藭r(shí)的中頻信號(hào)是輸出信號(hào)與本振的非N次諧波混頻得到。所以在鎖相環(huán)鎖相前，需要先將VCO的輸出預(yù)置到設(shè)定頻率附近，且預(yù)置頻率與設(shè)定頻率之間的差值不能超過低通濾波器的截止頻率與參考信號(hào)頻率差。

中頻信號(hào)的帶寬決定了VCO預(yù)置電壓的準(zhǔn)確度，由于中頻信號(hào)的帶寬很窄，因此要有高分辨率的電壓源來(lái)提供預(yù)置電壓，本方案采用DAC來(lái)預(yù)置VCO。寬帶VCO的靈敏度一般都比較高，對(duì)于5-10GHz的VCO，靈敏度能達(dá)到300MHz/V以上，壓控端微弱的電壓變化都會(huì)對(duì)VCO輸出噪聲造成很大的影響，因此需要對(duì)DAC的輸出電壓進(jìn)行濾波，由于鎖相環(huán)對(duì)VCO的壓控輸入起帶通濾波的作用，DAC后面接低通濾波器也能有很好的濾波效果，并且比帶阻濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。濾波器采用了無(wú)源濾波器，避免引入新的噪聲。

VCO的頻率由預(yù)置電壓與反饋控制電壓共同決定，需要對(duì)這兩個(gè)電壓信號(hào)求和，由于有源器件自身產(chǎn)生的噪聲對(duì)VCO的影響較大，所以采用電阻求和的方式，盡量減小加到VCO壓控端的噪聲。

3 測(cè)試結(jié)果

頻率合成器采用了單塊多層微波印制板實(shí)現(xiàn)，對(duì)它的輸出進(jìn)行測(cè)試，頻率范圍5～10GHz，輸出功率大于+10dBm，在7G頻率點(diǎn)上，相位噪聲是-105dBc/Hz@10kHz、-106dBc/Hz@100kHz，輸出功率達(dá)到+16dBm，相位噪聲測(cè)試曲線如圖2所示。

圖2 頻率合成器相位噪聲測(cè)試曲線

4 總結(jié)

基于混頻的鎖相技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)低噪聲、寬頻段頻率合成器的重要手段之一，本文在混頻鎖相的基礎(chǔ)上，用諧波混頻鎖相與VCO相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)出高性能的率合成器，相比分頻鎖相和YTO，具有小巧的體積、優(yōu)良的相位噪聲特性和寬廣的頻率范圍等優(yōu)點(diǎn)。

［1］方立軍,馬俊,蘇泉.取樣鎖相頻率合成器的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2004.

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

［3］張廣棟,劉德喜,田立卿.多環(huán)小步進(jìn)頻綜雜散設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控,2007.

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