基于諧波混頻的高性能頻率合成器

范吉偉

（中國電子科技集團第四十一研究所 山東 青島 266555）

0 引言

頻率合成器作為信號發生的關鍵部件，廣泛應用在各類電子設備中。隨著無線電通信技術的不斷發展，電子設備對頻率合成器的性能要求越來越高，體積要求越來越小。因此，設計高性能，小體積的頻率合成器具有很實際的意義。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振蕩器的鎖相環來實現，但YIG振蕩器有其固有的缺點：首先是體積大，不利于頻率合成器的小型化設計，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，驅動電路比較復雜[1]。與YIG振蕩器相比，VCO具有體積小，功耗低、驅動電路簡單等優點，不足之處是覆蓋的頻段窄，相位噪聲差。但隨著電子技術的進步，VCO覆蓋的頻段越來越寬，而性能指標也越來越好。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。

1 寬帶頻率合成方式

寬帶頻率合成的實現方式多種多樣，但本質上都是以某個高指標參考頻率為基準，在它的基礎上進行分頻、倍頻、混頻等操作，從而生成頻帶更寬的信號。目前，合成寬帶頻率信號常用的方法是鎖相環，主要有以下三類[2－3]：

1.1 將高頻振蕩器的輸出進行分頻，然后與低頻的參考信號進行鎖相，控制高頻振蕩器的輸出，實現倍頻的功能

1.2 將高頻振蕩器的輸出與相近頻率的本振信號進行混頻，然后與低頻的參考信號進行鎖相，控制高頻振蕩器的輸出，實現混頻的功能1.3 將低頻振蕩器的輸出進行倍頻，然后與高頻的參考信號進行鎖相，控制低頻振蕩器的輸出，實現分頻的功能

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

2 頻率合成器方案設計和實現

2.1 方案設計

頻率合成器采用混頻鎖相方式，原理框圖如圖1所示。

圖1 混頻鎖相環原理框圖

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

fR由小數鎖相環產生，頻帶較窄，但是具有很高的頻率分辨率。fLO是一個具有粗分辨率的本振信號，鎖相環工作時，先通過設置本振信號的頻率，對輸出信號進行粗調，然后設置參考信號頻率，對輸出信號進行精調，將振蕩器輸出準確的鎖到設定頻率點上。振蕩器的頻率范圍是5-10GHz，這要求與fRF混頻的本振信號頻率范圍也在5-10GHz范圍內。生成該本振信號的方法有幾種：一是，直接用一個與輸出信號相同頻段的振蕩器來合成；二是，通過將低頻信號N次倍頻來獲得；三是，直接取低頻本振信號的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頻率較高，頻帶較寬，使用基波混頻合成的電路比較復雜，增加了成本和體積。采用第三種方法合成的本振信號頻率比較低，頻帶比較窄，具有很高的頻譜純度，在電路上也比較容易實現。使用本振信號的諧波與輸出信號進行混頻，對混頻出來的中頻信號的噪聲不會造成惡化，并且電路簡單，有助于頻率合成器的小型化設計。混頻后的中頻信號，除了包含參與鑒相的低頻信號，還包含fRF與fLO其它次諧波混頻的信號，這些多余的信號如果輸入到鑒相器，會使VCO的輸出產生大量雜散，嚴重時還會導致環路失鎖，因此要消除這些多余的雜散信號。由于這些信號的頻率要遠高于期望中頻信號的頻率，可以用低通通濾波器將這些混頻產生的高頻信號濾掉，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源于鎖相環的三個輸入信號。鎖相環的噪聲傳遞方程如下所示[4]：

由于Z′（S）濾的是中頻信號，截止頻率相對環路帶寬要寬很多，將它近似為常數

令 KO=KVCOKPDFZ′（S），

KC=KVCOKPDF，則有：

從式6可以看出，鎖相環對于參考輸入信號噪聲和混頻本振輸入信號噪聲都有低通濾波的作用，而對于VCO預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和混頻本振信號的低端噪聲，降低VCO預置電壓帶內噪聲。參考輸入信號和混頻本振信號都是通過鎖相環產生的，通過合理設置這兩個環路的帶寬，可以使這兩個信號的噪聲滿足環路要求。

2.3 VCO預置

采用諧波混頻方式進行鎖相頻率合成，需要將輸出信號混頻成與參考頻率相等的中頻信號。鎖相前，如果不對VCO進行預置，VCO初始頻率可能偏離設定頻率很遠，此時混頻產生的中頻信號頻率較高，如果高于低通濾波器的截止頻率，中頻信號就會被濾掉，不會反饋到鑒相器的輸入端，造成環路失鎖。即使中頻信號低于低通濾波器的截止頻率，不被濾掉，并且鎖相環最終能鎖定，VCO的輸出也可能與設定的頻率不同，這是因為此時的中頻信號是輸出信號與本振的非N次諧波混頻得到。所以在鎖相環鎖相前，需要先將VCO的輸出預置到設定頻率附近，且預置頻率與設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頻率差。

中頻信號的帶寬決定了VCO預置電壓的準確度，由于中頻信號的帶寬很窄，因此要有高分辨率的電壓源來提供預置電壓，本方案采用DAC來預置VCO。寬帶VCO的靈敏度一般都比較高，對于5-10GHz的VCO，靈敏度能達到300MHz/V以上，壓控端微弱的電壓變化都會對VCO輸出噪聲造成很大的影響，因此需要對DAC的輸出電壓進行濾波，由于鎖相環對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計簡單。濾波器采用了無源濾波器，避免引入新的噪聲。

VCO的頻率由預置電壓與反饋控制電壓共同決定，需要對這兩個電壓信號求和，由于有源器件自身產生的噪聲對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 測試結果

頻率合成器采用了單塊多層微波印制板實現，對它的輸出進行測試，頻率范圍5～10GHz，輸出功率大于+10dBm，在7G頻率點上，相位噪聲是-105dBc/Hz@10kHz、-106dBc/Hz@100kHz，輸出功率達到+16dBm，相位噪聲測試曲線如圖2所示。

圖2 頻率合成器相位噪聲測試曲線

4 總結

基于混頻的鎖相技術，是實現低噪聲、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上，用諧波混頻鎖相與VCO相結合的方法設計出高性能的率合成器，相比分頻鎖相和YTO，具有小巧的體積、優良的相位噪聲特性和寬廣的頻率范圍等優點。

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

［2］白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安:西安交通大學出版社,1995.

［3］張廣棟,劉德喜,田立卿.多環小步進頻綜雜散設計[J].遙測遙控,2007.

［4］Floyd M.Gardner.Phaselock Techniques[Z].Wiley-Interscience,2005.

［5］張厥盛,萬心平.鎖相技術[M].西安:電子科技大學出版社,1993.