張大鶴，李青平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種超低相位噪聲寬帶頻率合成器的設(shè)計(jì)

張大鶴，李青平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要基于對(duì)雙環(huán)頻率預(yù)置技術(shù)和諧波混頻技術(shù)的理論分析，將混頻鎖相合成方式與高次倍頻合成方式相結(jié)合，采用鑒相極性可變的非常規(guī)設(shè)計(jì)，提出一種寬帶小步進(jìn)超低相位噪聲頻率合成器的低成本實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)合成器的相位噪聲和雜散抑制指標(biāo)進(jìn)行了理論分析。試驗(yàn)證明，在8 GHz輸出頻率下，方案實(shí)現(xiàn)了低于-132 dBc/Hz@10 kHz的相位噪聲和70 dB以上的雜散抑制性能。對(duì)寬帶超低相位噪聲頻率合成器的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞頻率合成；相位噪聲；頻率預(yù)置；諧波混頻

Design on Ultra Low Phase Noise Wideband Frequency Synthesizer

ZHANG Da-he，LI Qing-ping

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China)

AbstractBased on theoretical analysis on double-loop presetting technology and harmonic frequency mixing，combining the frequency mixing PLL synthesizing method with high-order frequency multiplication synthesizing method，a detailed low-cost scheme of wideband fine-resolution frequency synthesizer with ultra low phase noise is proposed by using unconventional design of variable phase detect polarity.The theoretical analysis on phase noise and spur rejection specifications of this scheme is performed.The experiment results show that this scheme realizes phase noise lower than -132 dBc/Hz@10 kHz，and spur rejection more than 70 dB at 8 GHz output.The method can provide some reference for design on wideband frequency synthesizer with ultra low phase noise.

Key wordsfrequency synthesis;phase noise;frequency presetting;harmonic frequency mixing

0引言

相位噪聲是頻率合成器的一個(gè)極為重要的指標(biāo)，降低相位噪聲是頻率合成器的主要設(shè)計(jì)任務(wù)[1]。

隨著相位噪聲指標(biāo)要求的提高，鎖相單環(huán)和常規(guī)的鎖相混頻環(huán)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足相噪要求。直接合成的方式在相位噪聲指標(biāo)方面有明顯優(yōu)勢(shì)，但是電路極為復(fù)雜，一般不適合工程應(yīng)用[2]。以往有些采用鎖相混頻環(huán)的設(shè)計(jì)[3]中，大步進(jìn)信號(hào)是由參考信號(hào)高次倍頻后，窄帶濾波獲得，這樣可以獲得較好的相位噪聲，但成本和體積較大。

寬帶頻率合成器具有較好的通用性。特別是帶寬達(dá)到一個(gè)倍頻程后，可以通過(guò)分頻的方式實(shí)現(xiàn)很寬頻率范圍內(nèi)的連續(xù)覆蓋，通用性更高。

經(jīng)過(guò)理論分析和仿真設(shè)計(jì)，提出了基于雙環(huán)頻率預(yù)置、諧波混頻技術(shù)[4]的低相位噪聲寬帶頻率合成方案。運(yùn)用這種方案實(shí)現(xiàn)的頻率合成器，經(jīng)過(guò)測(cè)試，相位噪聲指標(biāo)與理論值基本一致。

1設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工程應(yīng)用需求，考慮設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低相噪、低雜散、小步進(jìn)的寬帶頻率合成器，工作頻率4~8 GHz，相位噪聲≤-130 dBc/Hz@10 kHz；雜散抑制≥70 dB，頻率步進(jìn)≤1 Hz。

由于相噪目標(biāo)非常高，設(shè)計(jì)難度很大，傳統(tǒng)方案難以實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)方案匯集了鎖相合成與直接合成的優(yōu)點(diǎn)，采用了雙混頻環(huán)結(jié)合高次倍頻的混合合成的方式，以及鑒相極性可變的非常規(guī)設(shè)計(jì)，保證了相噪指標(biāo)。

合成器的工作原理如圖1所示。雖然使用窄帶VCO組可以實(shí)現(xiàn)更好的相位噪聲指標(biāo)，但為了控制成本，2只VCO都選用寬帶的型號(hào)。

為了降低相位噪聲，2個(gè)混頻環(huán)都采用鑒相極性可變的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)預(yù)置，整個(gè)頻段內(nèi)有1/4的頻段由VCO1直接輸出，此時(shí)VCO2可以斷電。其余3/4的頻段由開(kāi)關(guān)切換到VCO2輸出，在VCO1輸出的頻率基礎(chǔ)上搬移100 MHz或200 MHz來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面以輸出4 000～4 400 MHz信號(hào)為例，工作原理如表1所示。

圖1　合成器工作原理

頻率起點(diǎn)/MHz頻率終點(diǎn)/MHz實(shí)現(xiàn)方式40004050A頻段-100MHz40504100B頻段-200MHz41004150VCO1輸出(記為A頻段)41504200B頻段-100MHz42004250A頻段+100MHz42504300VCO1輸出(記為B頻段)43004350A頻段+200MHz43504400B頻段+100MHz

合成器的頻率步進(jìn)取決于單片頻率源，本方案實(shí)現(xiàn)步進(jìn)<1 Hz。

2關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1雙環(huán)頻率預(yù)置技術(shù)

當(dāng)合成器為寬帶輸出時(shí)，如果使用混頻環(huán)，就必須使用頻率預(yù)置的方法，將VCO的輸出頻率預(yù)置在需要的頻率附近，以免造成錯(cuò)鎖、失鎖等問(wèn)題。

頻率預(yù)置電路可以使用多種方法實(shí)現(xiàn)，如D/A預(yù)置[5]、掃頻等[6]。但很多預(yù)置方式對(duì)相位噪聲都有一定影響，尤其當(dāng)合成器的相位噪聲很低時(shí)更為明顯。本次設(shè)計(jì)中采用了雙鑒相器切換的雙環(huán)頻率預(yù)置方式，其中預(yù)置環(huán)在頻率預(yù)置完成后就不再工作，其相位噪聲可不做考慮。預(yù)置原理如圖2所示。

圖2中，2個(gè)鑒相器均為電荷泵鑒相器，其輸出的控制信號(hào)通過(guò)同一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。2個(gè)環(huán)路中，上方環(huán)路為預(yù)置環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)自鎖定。工作時(shí)開(kāi)關(guān)先設(shè)置為第1鑒相器控制導(dǎo)通，預(yù)置環(huán)先鎖定到所需頻率，之后控制電路將開(kāi)關(guān)切換到第2鑒相器控制導(dǎo)通，此時(shí)下方環(huán)路已進(jìn)入快速捕捉帶，可迅速鎖定。

圖2　雙環(huán)頻率預(yù)置方式原理

由于第1鑒相器可使用小數(shù)分頻鑒相器，這種預(yù)置方式具有很高的預(yù)置精度。由于增加開(kāi)關(guān)基本不引入額外的噪聲，該預(yù)置方式可以實(shí)現(xiàn)較高的相位噪聲指標(biāo)。

2.2低相噪倍頻電路設(shè)計(jì)

超低相噪合成器中，參考源的相位噪聲已不可忽視。目前用作參考源的恒溫晶振的相位噪聲最高指標(biāo)大約為-180 dBc/Hz@10 kHz。該指標(biāo)雖然已滿(mǎn)足當(dāng)前超低相噪合成器的需要，但是如果處理不當(dāng)會(huì)大幅惡化該指標(biāo)。因此倍頻過(guò)程采用2次2倍頻、2次信號(hào)放大，選用低噪聲放大器，盡可能提高信號(hào)電平、降低噪聲系數(shù)。

2.3諧波混頻技術(shù)

諧波混頻合成器的基本思想是使用一個(gè)較低頻率的激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)諧波發(fā)生器、混頻器與較高頻率的信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，得到頻率較低的信號(hào)，供鎖相使用[4]。

以400 MHz的各次諧波信號(hào)與4 110 MHz的VCO信號(hào)進(jìn)行混頻為例，混頻后中頻輸出的頻譜如圖3所示。

圖3　混頻后輸出的中頻頻譜

中頻輸出經(jīng)低通濾波后即可得到所需的110 MHz信號(hào)，供鎖相使用。

本方案中，VCO頻率可以位于臨近諧波的兩側(cè)，所以對(duì)于中頻輸出，正譜和反譜都有可能，鑒相器的鑒相極性需相應(yīng)改變。這種靈活的設(shè)計(jì)方式有助于提高部分頻率范圍內(nèi)的相噪指標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)諧波混頻時(shí)，諧波激勵(lì)器應(yīng)有較高的效率，各次諧波的輸出幅度較高而且盡量平坦。

2.4低相噪環(huán)路低通濾波器設(shè)計(jì)

使用雙鑒相器切換的頻率預(yù)置方式時(shí)，預(yù)置環(huán)與正常工作環(huán)的環(huán)路增益差別很大，可以達(dá)到上百倍，所以環(huán)路低通濾波器需小心設(shè)計(jì)，不僅要滿(mǎn)足混頻環(huán)低相噪指標(biāo)，還要保證2個(gè)環(huán)路都能夠鎖定。

本設(shè)計(jì)中，環(huán)路低通濾波器采用反向積分式有源環(huán)路濾波器。設(shè)計(jì)環(huán)路低通濾波器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)低相噪，需考慮環(huán)路濾波器形式、環(huán)路帶寬、零極點(diǎn)設(shè)置、相位裕量、電荷泵電流設(shè)置、鑒相泄露抑制、電阻噪聲、運(yùn)放選型[7]和VCO壓控靈敏度的變化等很多因素，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

3指標(biāo)分析與測(cè)試

3.1相位噪聲指標(biāo)計(jì)算

諧波混頻合成器的總相位噪聲功率譜密度(進(jìn)行1 Hz歸一化)為各個(gè)單元的相位噪聲功率譜密度混合疊加。

假設(shè)有N個(gè)有噪單元的噪聲疊加，頻偏f處相位噪聲功率譜密度分別為Pn(f) dBc/Hz，n=1,2,…,N。如果每個(gè)有噪單元產(chǎn)生的相位噪聲都不相關(guān)，直接混頻后的總相位噪聲功率譜密度為[4]：

(1)

本設(shè)計(jì)中，總相位噪聲為晶振、倍頻器、單片頻率源、鑒相器、VCO和環(huán)路濾波器帶入的相位噪聲的疊加。全頻段內(nèi)輸出相位噪聲理論上最差點(diǎn)為7 650 MHz，該頻率下相位噪聲計(jì)算如表2所示。恒溫晶振的相位噪聲指標(biāo)按照-180 dBc/Hz@10 kHz計(jì)算。

表2　各單元電路帶入的相位噪聲匯總(單位dBc/Hz)

由表2可見(jiàn)，各部分中對(duì)相噪指標(biāo)影響最大的是單片頻率源。合成器理論上最差相噪為：

-134 dBc/Hz@10 kHz和-132dBc/Hz@100kHz。

3.2相位噪聲指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試儀器選用安捷侖公司的信號(hào)分析儀N9030A PXA，該儀器具有很低的自身相位噪聲。測(cè)得合成器在輸出8 GHz時(shí)相位噪聲為-128 dBc/Hz@10 kHz。

考慮到信號(hào)分析儀N9030A PXA的基底噪聲大約為-129 dBc/Hz@10 kHz[8]，根據(jù)相位噪聲疊加原理，利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際相位噪聲在-132 dBc/Hz@10 kHz以下。

3.3雜散抑制指標(biāo)分析

該合成器的遠(yuǎn)端雜散主要通過(guò)屏蔽、增加開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)和加強(qiáng)電源濾波處理等方式來(lái)抑制。

對(duì)于近端雜散，一部分可通過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)和加強(qiáng)電源濾波處理來(lái)控制，其他近端雜散主要是鑒相頻率泄露和單片頻率源輸出的雜散。鑒相頻率泄露可通過(guò)合理設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器來(lái)抑制；單片頻率源輸出的雜散由于輸出頻率不高，可保證在-75 dBc以下。經(jīng)過(guò)調(diào)試，合成器實(shí)現(xiàn)的雜散抑制指標(biāo)可優(yōu)于70 dB。

4結(jié)束語(yǔ)

該合成器是綜合考慮各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、成本、體積和復(fù)雜度等多個(gè)因素而設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有一味地追求高指標(biāo)，具有良好的工程實(shí)用性。如果增加該方案的復(fù)雜度，相噪指標(biāo)還可以進(jìn)一步提升。合成器采用了雙環(huán)頻率預(yù)置和諧波混頻等新技術(shù)，擁有優(yōu)異的相位噪聲和雜散抑制指標(biāo)，帶寬達(dá)到一個(gè)倍頻程，實(shí)現(xiàn)了小于1 Hz頻率步進(jìn)，相位噪聲測(cè)試結(jié)果與理論值基本一致，反映出設(shè)計(jì)方案的合理性和科學(xué)性。通過(guò)對(duì)雙環(huán)頻率預(yù)置和諧波混頻原理的分析，可以看出，這是一種新穎的合成方案，可獲得較其他合成方式更為理想的相噪指標(biāo)，可應(yīng)用于諸多頻段的頻率合成器中，具有良好的應(yīng)用前景。

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張大鶴男，(1984—)，工程師。主要研究方向：頻率合成技術(shù)。

李青平男，(1972—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：頻率合成技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)TN743

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)02-0058-03

收稿日期：2015-11-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.14

引用格式：張大鶴,李青平.一種超低相位噪聲寬帶頻率合成器的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2016,46(2):58-60.