低噪声参考环的设计与实现

【摘要】本文简单介绍了微波合成信号发生器中频率合成的基本原理，表明了低噪声参考环在整机中的重要性，重点论述了基于锁相环原理、采用具有很低相位噪声的晶体振荡技术及倍频技术实现的低噪声参考环设计方法，给出了实测数据并进行分析。

【关键词】高纯频率合成;锁相环;晶体振荡器;奇次倍频原理

1.概述

随着现代雷达和无线电通信技术等的发展，各种电子设备对其内部应用或系统测试使用的频率合成器不断提出更高的要求，其中重要的一点就是要有极低的边带相位噪声[1]。对于复杂的高性能频率合成器，其内部又常会包含多个频率合成器，在多个频率合成器的设计中经常会用到多路参考信号，而参考信号的相位噪声一般就直接决定了最终频率合成器输出的近载波相位噪声。因此低相位噪声参考的产生是高性能频率合成器实现极低相位噪声的关键和前提。

2.频率合成基本原理及低噪声参考环的重要性

高纯频率合成技术是高纯微波合成信号发生器最终能否实现的关键，从锁相频率合成的基本原理来看，决定整机单边带相位噪声指标的直接因素是环路中各个压控振荡器噪声的大小[2]，锁相环路的作用是针对不同的压控振荡器进行了边带噪声的优化组合选择，当采用的环路形式不同时，对噪声的选择特性会有所侧重。

3.低噪声参考环的具体实现电路

低噪声参考环的工作原理是：来自内部高稳定度恒温晶体振荡器的10MHz信号经过开关选择后与100MHz的高性能压控晶体振荡器分频反馈后得到的10MHz进行鉴相，并通过锁相环路使之锁定。100MHz信号的输出经功分后分成两路：一路信号通过分频网络，分别实现2路50MHz、1路10MHz、1路2.5MHz、1路1MHz的频率参考信号输出;另外一路先经过5倍频、放大、滤波，然后再经过2倍频、放大、滤波后得到1GHz的高性能参考时钟，1GHz信号再功分成两路分别作为高纯本振环路以及数字下变频器中的混频本振信号。

由原理可知，高性能低噪声参考环设计电路中的难点电路包括：10MHz高稳时基与100MHz高性能VCXO的设计与选择、环路中锁相环电路以及1GHz倍频电路等。

3.1 晶体振荡器的设计与选择

10MHz恒温晶振的设计与选择：该振荡器不仅对整机的时基老化率起决定作用，而且对整机近端1kHz以内的相噪也影响很大，所以它的频率温度特性、相位噪声等指标就成为选择的重要参考指标，因此选择MTI公司生产的220系列OCXO中的恒温。

100MHz压控晶振的设计与选择：根据该低噪声参考环的环路特点，该参考环路对整机近端100Hz～10kHz相噪影响比较大;由该参考环路的设计原理框图也可以看出，提供给整机的各路参考频率信号都是通过该环路中100MHz的晶体振荡器经过分频或倍频来实现的，所以说100MHz晶体振荡器性能的好坏至关重要，经过多次与厂家协商，最终选择美国SES PIEZO公司的XO5080系列中的压控晶振，经试验测试表明，此压控恒温晶体振荡器产生的信号不仅频率准确度高，而且温度稳定性好。

3.2 锁相环电路的设计与实现

3.2.1 锁相环基本原理

锁相环是一种能实现相位自动锁定的控制系统[3]，它比较输入信号和反馈网络输出信号之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的输出频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时，如果输入信号频率与反馈网络输出频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到使反馈网络输出频率与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和反馈网络输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。

3.2.2 锁相环电路的设计与实现

根据以上锁相环基本原理，结合该高性能低噪声参考环的环路特性，设计的电路中锁相环路的原理框图如图1所示。

图1 参考环中锁相环原理框图

图1中锁相环路中的滤波器是一个有源比例积分滤波器，具有低通滤波器的特性。当环路选择无参考状态时，开关K1断开，K2闭合，通过给100MHz晶体振荡器加D/A预置电压来调节控制晶体振荡器的输出。锁相环路做为一种自动相位控制电路，它能使系统输出信号的相位随输入给定信号的相位变化，锁相环路可以实现被控振荡器相位对输入相位的跟踪，其结构决定了它优良的应用性能----锁定时无频差，环路锁定后，输出与输入之间只有某一固定的相位差，频差则等于零，可以实现无误差的频率跟踪[4]。

3.3 1GHz倍频电路的设计与实现

100MHz晶体振荡器振出的100MHz信号经过放大、滤波后，首先经过一个5倍频及选频网路电路，产生的500MHz信号经过两级放大、滤波后，再通过一个集成的二倍频器，产生1GHz信号，1GHz信号再进行放大、滤波、放大，然后功分成两路，一路去数字下变频做参考，另一路去给高纯本振做参考。在以上电路中关键是5倍频及选频网络电路的设计。

倍频通常是以器件的非线性为基础，当用一正弦信号激励任何一个非线性器件时，便会在基波信号频率的谐波上产生功率，再通过带通滤波器选择出所需倍数的谐波，从而实现倍频效应。

倍频有偶次倍频和奇次倍频之分。该参考环1GHz倍频电路中，由100MHz信号实现500MHz信号的产生，其实也就是一个如何实现5次倍频，即奇次倍频的过程，设计的5倍频及选频网络电路如图2所示，其中X1为输入的100MHz信号，X2为5倍频及滤波后的500MHz信号。

图2 5倍频及选频电路图

用Serenade系统仿真软件对该电路进行仿真分析，并用同样三源比对的方法测得1GHz信号的相噪，可得到该组合分别在以下频偏处线性相加的相位噪声。同样根据三源比对法公式可以算出其中一个信号的相噪，当两个信号的相噪相当时，计算值应该比线性相加的相噪优化3dB左右。

4.结束语

将该低噪声参考环应用于微波合成信号发生器中，用相噪测试系统在点频20GHz的单边带相位噪声测试曲线如图3所示。

图3 点频20GHz的单边带相噪测试图

由以上论述及数据对比分析可以得出，该低噪声参考环产生的各路参考信号不仅频率稳定，准确度高，更重要的是与国外同类产品相比，相噪指标基本相当，已应用于某高纯微波信号源中并获得了满意的效果。

参考文献

[1]张厥盛.锁相技术[M].西安电子科技大学出版社，2001.

[2]杨绍城.高频电子线路[M].电子科技大学出版社，1997.

[3]William C.Lindsey.Phase-Locked loop and their Aplication.IEEE PRESS.

[4]Vadim Manassewitsch.Frequency Synthesizers-Theory and design.

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