一種VCO電路新型注入鎖定方式研究

趙婭琦，劉長軍

四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

注入鎖定技術可以用一個高質量的小功率信號去鎖定一個大功率的振蕩器，產生高質量的大功率信號。該方式具有結構簡單和效率高的優勢，在通信領域和大功率微波源中扮演了重要角色，引起了國內外的廣泛關注和重視[1?2]。注入鎖定是一種受迫振蕩的物理現象[3]，以微波振蕩器為例，如果注入的信號與自身振蕩頻率接近，振蕩器的頻率和相位就會向注入信號偏移。當注入信號幅度足夠大的時候，振蕩器的輸出頻率就會和輸入信號頻率保持相同[4]。

注入鎖定技術可以用來調制、穩頻和降噪等，已經被應用在通信系統、磁控管微波源以及相控陣系統中[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環行器從振蕩器輸出端口饋入外部信號，不僅增加了系統的成本和損耗，而且不利于電路的小型化設計。本文提出一種通過VCO電壓調諧端饋入基準信號的注入鎖定方式，降低了電路的復雜度，亦具備良好的雜散抑制特性。

1 振蕩器注入鎖定理論基礎

注入鎖定理論最早是由Alder在1946年提出的。通過注入鎖定現象的精確推導，得到鎖定范圍的理論表達式，并提出了早期理論模型，簡稱為Alder模型[7]。通過Alder模型以及經典文獻中可以得到注入鎖定的帶寬和注入信號功率之間的關系，由文獻[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的頻率；ω是輸入信號頻率；Δω=ω0?ω是振蕩器在自由振蕩時的中心頻率與輸入頻率之差；QL是振蕩器的有載品質因數[9]；Pin為注入信號功率；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功率比、振蕩頻率以及振蕩器的品質因數QL有關[10]。注入信號幅度越大，鎖定帶寬越寬[11?12]。通過改變注入信號的大小，可以得到在不同注入功率下的鎖定帶寬。圖1(a)為傳統環行器注入方式的示意圖，圖1(b)為VCO電壓調諧端(VT)注入方式的示意圖。

圖1 2種不同注入方式示意

2 VCO電路注入鎖定實驗

2.1 VCO電路設計與測試

在本次電路設計中，采用的壓控振蕩器芯片型號為MVE2400，電源電壓為5 V，工作頻段為2 300～2 500 MHz，調諧靈敏度為50 MHz/V，調諧電壓范圍為0.2～4.5 V，調諧電壓VT在1.95 V時，輸出頻率為2.45 GHz，輸出幅度為3 dBm。圖2(a)為VCO測試電路原理圖，圖2(b)為VCO測試電路實物圖。實驗中頻譜儀的分辨率帶寬設為10 kHz，測得的VCO的輸出相位噪聲特性如圖3所示。從圖3測試結果中可以得出，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測試電路

圖3 VCO的輸出特性

2.2 傳統環行器注入方式

外部信號通過環行器從VCO的RF輸出端注入振蕩器中，圖4為環行器注入方式的電路測試系統。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源，信號通過環行器注入VCO的RF端，然后再通過環行器輸出，最后在頻譜儀上觀察振蕩器的輸出特性。通過實驗測試得到，當注入信號功率為?40 dBm時，輸出功率為4 dBm，注入功率比最大可達44 dB，此時鎖定帶寬為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結果可以看出，注入信號功率越大，注入功率比越小，VCO的輸出相位噪聲越好。當注入功率比為40 dB時，偏離中心頻率500 kHz處，VCO的相位噪聲為?109 dBc/Hz@500 kHz。

圖4 環行器注入方式的電路測試系統

圖5 環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

外部注入信號通過VCO的電壓調諧VT端注入振蕩器中。圖6(a)為對應的電路原理圖，外部信號通過一個隔直電容注入VT端。隔直電容的作用是防止直流電進入微波信號源損壞信號源。50 Ω電阻的作用是減小端口的反射，實現端口的匹配。圖6(b)為VT端注入方式的電路實物圖，圖7為VT端注入方式的電路測試系統。直流源提供VCO的5 V電源電壓，微波信號源的輸出端口和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的功率，觀察信號鎖定的范圍，當注入信號功率最小為?37 dBm時，輸出功率為3 dBm，注入功率比最大可達40 dB，此時鎖定帶寬為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試系統

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測試結果可以看出，注入信號功率越大，注入比越小，VCO的輸出相位噪聲越小。當注入功率比為40 dB時，在偏移中心頻率500 kHz處，頻譜儀測得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，將外部注入信號的頻率設置成2倍的振蕩頻率為4.9 GHz，然后將信號注入振蕩器中，通過不斷改變注入信號的功率來觀察振蕩器的輸出特性。通過實驗得出，采用環行器注入方式，能夠實現鎖定的最小輸入功率為?12 dBm，注入比最大可達15 dB；采用VT端口注入方式，能夠實現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2種方式的對比，采用VT端注入方式的注入功率比、輸出相噪特性都優于傳統環行器注入方式，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 測試結果分析

通過上面的測試結果可以看出，外部信號注入VCO后，VCO的輸出更加穩定，同時VCO的輸出相位噪聲也有所改善，起到了很好的降噪和穩定輸出的效果。采用傳統環行器注入方式，注入功率比最大可達44 dB，采用VCO的VT端注入方式，注入功率比最大可達40 dB。在相同注入功率比下，VT端注入方式的相位噪聲要優于環行器注入方式。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的功率與鎖定頻率范圍之間的關系，并和最先提出注入鎖定技術的Alder模型進行對比。

從式(1)中可以看出，當自由振蕩頻率和品質因數不變時，鎖定頻率范圍Δωmax與成線性關系。注入鎖定的帶寬為2Δωmax，因此鎖定帶寬與輸入輸出信號功率比也成線性關系，注入功率越高，鎖定范圍越大。將實驗測試數據進行線性擬合，得到2種注入方式的實測數據和擬合曲線的對比結果。圖10為傳統環行器注入方式實測和曲線擬合的對比結果，圖11為VCO的電壓調諧端注入方式實測和曲線擬合的對比結果。

圖10 環行器注入方式實測和曲線擬合的對比結果

圖11 VT端注入方式實測和曲線擬合對比結果

從圖10和圖11可以看出，實測結果和線性擬合的結果基本重合。因此可以得出，電壓調諧端注入方式和傳統環行器注入方式都符合Alder注入鎖定理論模型。通過擬合結果可以計算得出直線的斜率，聯合式(1)進一步算出振蕩器的品質因數QL。得到環行器注入方式的等效品質因數QL為1 019。通過VCO的電壓調諧端注入方式的等效品質因數QL為1 924。

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

4 結論

本文提出了一種VCO電路的新型注入鎖定方式。通過實驗得出結論如下。

1) 通過外部信號注入VCO的VT端來實現頻率的鎖定，避免引入環行器等外部電路元件，降低了電路系統的復雜度，節約成本，更易于實現。

2) 與傳統的環行器注入方式相比，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于環行器注入方式，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。