PDRO的研究進展

袁慧超

（中國電子科技集團公司第13研究所，河北石家莊 050051）

0 引言

PDRO（取樣鎖相介質振蕩器）具有極低相噪、低雜散、低功耗、重量輕、體積小、可靠性高等突出優點，與直接倍頻方案相比，具有更好的遠端相噪指標。在航天航空、微波測量等尖端科技設備中要求超低相噪的領域具有廣闊的應用前景[1，2]。

微波鎖相源原理在數學理論方面，早在上世紀30年代無線電技術發展的初期就已經出現。1930年建立了同步控制理論的基礎。1932年貝塞爾什提出了同步檢波理論。在上世紀40年代，電視接收機的同步掃描電路中，鎖相技術得到廣泛應用。到上世紀50年代，隨著空間技術的發展，有杰費和里希廷利用鎖相環路作為導彈信標的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發表了包含噪聲效應的鎖相環路線性理論分析，解決了鎖相環路最佳化設計的問題。PDRO理論及工程研究曾在上世紀七八十年代出現熱潮。但由于在寬溫范圍內環路的穩定性和捕獲設計技術難度較大，造成成品率不高，因而該技術的發展曾一度處于停滯狀態。進入新世紀后美國在PDRO領域已解決了取樣鎖相中寬溫范圍內環路的穩定性和捕獲的技術難題，研制了高性能的PDRO產品，并實現了系列化和大規模生產，在以美國為代表的西方主要國家中PDRO已廣泛應用于各類高性能電子設備中。PDRO現已成為微波高穩定頻率合成技術中最具生命力的技術之一。PDRO實物如圖1[2，3]。

圖1 PDRO實物

1 PDRO的工作原理

PDRO的工作原理如圖2所示，微波取樣鎖相介質振蕩源是采用高穩參考信號如晶振產生一同頻率的尖脈沖（梳狀譜）信號，與微波信號進行取樣比較輸出誤差信號，當振蕩器輸出頻率與參考信號的N次諧波頻率相同時，經環路濾波器濾波后的誤差信號為一穩定的直流電壓，此時介質VCO頻率被穩定在Nf i。由于DRVCO的帶寬很窄（一般僅為工作頻率的0.2%～1.0%），在其壓控范圍內，只有一個頻點是參考源頻率的整數倍，所以不會出現錯鎖的現象，當壓控電壓控制DRVCO的頻率達到這一頻點時，環路即鎖定，這時PDRO的輸出頻率穩定在設計頻率[1]。

圖2 工作原理

由于取樣鎖相電路采用了取樣保持鑒相器，在取樣脈沖尖峰到來時，對VCO輸出的高頻信號進行取樣保持，得到的階梯誤差信號經環路濾波器濾除高頻分量，輸出的直流信號去控制VCO的輸出頻率，使VCO的輸出頻率直接鎖定在參考頻率的高階諧波的頻率上，從而免去了數字分頻器噪聲基底受限的影響，它的相位噪聲指標接近于理論計算值。取樣鎖相頻率合成器結合了數字鑒相和高次倍頻鏈方式的共同特點，其優點是電路結構簡單、相位噪聲低、體積小、重量輕、功耗低。取樣鎖相器的相位噪聲在理論惡化20LgN的基礎上幾乎無附加惡化。在相位噪聲指標上微波取樣鎖相頻率合成較直接倍頻合成和數字鎖相有更優越的噪聲性能，相位噪聲更低。介質諧振器品質因數Q值高、體積小，用介質諧振器穩頻的振蕩器具有相位噪聲低、成本低的優點。因介質諧振器頻帶窄，故其適用于點頻工作狀態，所以一般情況下將其用于高穩定度微波本振。

介質振蕩器中的相位噪聲即提高相位噪聲的方法有，[30]選擇高Q值得的諧振回路。除了采用介質振蕩器外，作為振蕩器中放大器的的放大管也要選擇低噪聲的GaAs FET管。

2 PDRO的現狀

PDRO主要作為各種電子設備的高性能本振，其性能的優劣直接決定了整個系統的性能，素有“電子系統的心臟”之稱。研制高性能、高可靠性的PDRO對于提高電子系統的性能有重大的現實意義。

目前美國CTI公司在PDRO的研發的產品分為外部參考、內部參考和雙鎖相環外部參考3個系列，工作頻率覆蓋3～45 GHz：參考信號頻率1～100 MHz：

工作溫度范圍可達-55～+85℃。其產品的主要參數見表1；相位噪聲指標見表2。

表1 CTI公司PDRO主要參數

表2 CTI公司PDRO相位噪聲指標

3 結語

PDRO因其特有的技術優勢在未來微波系統中將有更廣泛的應用，小型化、器件化的PDRO產品是未來發展的趨勢，基于多年的微波半導體材料、器件的科研基礎，正在展開此類產品的探索研究，目前已研制成功部分鎖相源內部功能單元芯片，但距離成熟化的高集成低相噪鎖相源還存在較大差距，需要進一步的技術攻關與摸索。在PDRO的研究方向有以下5個方面：

（1）器件化：采用SOC技術，將鎖相微波電路結合微波壓控振蕩器整合在一塊或多塊芯片上，通過高可靠的金屬封裝代替原來的組件級盒體封裝模式，體積可縮小至現有產品的1%以下，工作溫度可以拓展到-65～+125℃，環境適應性更強，批量生產效率高、一致性好。

（2）提高工作頻段。隨著現有工藝水平的提高和新工藝的應用，可以研發工作頻率更高的PDRO。

（3）增強性能。隨著材料科學的發展，決定振蕩器相位噪聲性能的高Q值諧振器材料研制技術不斷提高，振蕩器的穩定性和相位噪聲指標可大幅提升，采用SOC技術的微波芯片可以實現多環符合技術，使整個鎖相源的相位噪聲可以在現有技術上進一步提高。

（4）擴展應用范圍。伴隨PDRO產品的模塊化、器件化和新標準的建立，新的高性能PDRO可用于更多集成度更高的系統。

（5）擴展性更強。在低相噪鎖相源的技術基礎上可根據不同需求研制出具備大功率、多點跳頻等多種集成化芯片電路。

除上述電子電路方面的技術以外，PDRO還需要在材料、化學等方面的技術研發。

PDRO中使用的介質諧振器是用低損耗、高介電常數的介質材料（通常為圓柱型功能陶瓷材料）諧振器。有如下特性：

①體積小，由于材料的高介電常數，可使介質諧振器的體積小至空腔波導或同軸諧振器的1/10以內，為電路小型化提供了可能。

②Q值高（品質因數），在0.1～30 GHz范圍內，Q值可達103～104。

③諧振頻率的溫度穩定性優異，介質材料的介電常數會隨溫度變化，從而引起諧振器頻率的變化，實際中采用低溫度系數的材料和不同材料配比制作的補償型復合介質，使介質諧振器與諧振腔在不同溫度下相互匹配，達到頻率穩定性要求。陶瓷諧振材料的研究中既要研究陶瓷材料本身化學物理特性，又要注意制造加工工藝的研究。目前在陶瓷諧振材料制造加工工藝方面存在的主要問題有：材料混合不均勻，造成單個器件內部密度不一致；同一批次內不同個體密度和組分有明顯差異；不同批次產品的差異更大。陶瓷諧振物理化學的差異嚴重影響電學特性，目前生產工藝還會造成陶瓷諧振材料內部產生空洞，嚴重影響PDOR的可靠性。在PDRO的研制中還需要使用化學粘合劑，化學粘合劑的性能嚴重制約PDRO的電學性能和長期工作可靠性。

④目前在諧振器基板都采用陶瓷材料，陶瓷材料介電常數高、穩定性好適應各種使用環境。但是也存在散熱性差，與金屬盒體膨脹系數不一致，焊接、燒結工藝要求高等問題。

取樣鑒相技術，PDRO使用的鑒相方式不同于常用的將微波信號經過分頻器，分頻到低頻在和參考信號鑒相。取樣鑒相工作原理如圖3所示，低頻參考信號激勵取樣脈沖器，產生從復頻率與參考頻率信號同頻的取樣窄脈沖。取樣脈沖按參考信號頻率通過取樣鑒相器對VCO的輸出微波信號進行取樣。取樣鑒相器將每次取樣得到的電壓經過壓控信號濾波整流電路濾波和放大后，控制VCO的工作頻率，使其與參考信號頻率的整數保持一致（fVCO=Nf參考，N為整數，PDRO中作為VCO的介質振蕩器調頻率范圍，在Nf參考上只有一個頻點，因此不會出現錯鎖頻率的情況。）具體工作過程是整個取樣鑒相系統穩定工作時，取樣脈沖在VCO正弦震蕩的過零時刻取樣。此時，取樣鑒相器應無電壓輸出，VCO的振蕩頻率與參考頻率為嚴格的整數倍關系。如果VCO的振蕩頻率發生偏移，使其正弦振蕩的相位發生變化，此時過零時刻提前或者推遲，過零點沒有落在取樣脈沖內，這時取樣鑒相器的輸出電壓不再為零，而出現正、負增量電壓輸出。此增量電壓經過壓控信號濾波整流電路輸出到VCO控制端，調節VCO的振蕩頻率趨向于保持與參考信號頻率成嚴格的整數倍，直到過零點再次落到取樣脈從內。取樣鑒相技術的優點是，以一個較容易獲得的高品質低頻參考源代替高品質的高頻參考源；或在參考源相同的條件下，避免了分頻器對相位噪聲的影響[4]。

圖3 取樣鑒相系統組成

綜上，PDRO由于其自身特點，其研究發展涉及電學、材料和化學等多學科，需要多學科共同努力。