一種超低相位噪聲寬帶頻率合成器的設計

張大鶴，李青平

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

一種超低相位噪聲寬帶頻率合成器的設計

張大鶴，李青平

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要基于對雙環頻率預置技術和諧波混頻技術的理論分析，將混頻鎖相合成方式與高次倍頻合成方式相結合，采用鑒相極性可變的非常規設計，提出一種寬帶小步進超低相位噪聲頻率合成器的低成本實現方案，并對合成器的相位噪聲和雜散抑制指標進行了理論分析。試驗證明，在8 GHz輸出頻率下，方案實現了低于-132 dBc/Hz@10 kHz的相位噪聲和70 dB以上的雜散抑制性能。對寬帶超低相位噪聲頻率合成器的設計具有借鑒意義。

關鍵詞頻率合成；相位噪聲；頻率預置；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極為重要的指標，降低相位噪聲是頻率合成器的主要設計任務[1]。

隨著相位噪聲指標要求的提高，鎖相單環和常規的鎖相混頻環都遠遠不能滿足相噪要求。直接合成的方式在相位噪聲指標方面有明顯優勢，但是電路極為復雜，一般不適合工程應用[2]。以往有些采用鎖相混頻環的設計[3]中，大步進信號是由參考信號高次倍頻后，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。特別是帶寬達到一個倍頻程后，可以通過分頻的方式實現很寬頻率范圍內的連續覆蓋，通用性更高。

經過理論分析和仿真設計，提出了基于雙環頻率預置、諧波混頻技術[4]的低相位噪聲寬帶頻率合成方案。運用這種方案實現的頻率合成器，經過測試，相位噪聲指標與理論值基本一致。

1設計方案

根據工程應用需求，考慮設計實現低相噪、低雜散、小步進的寬帶頻率合成器，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≤1 Hz。

由于相噪目標非常高，設計難度很大，傳統方案難以實現。本設計方案匯集了鎖相合成與直接合成的優點，采用了雙混頻環結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設計，保證了相噪指標。

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

為了降低相位噪聲，2個混頻環都采用鑒相極性可變的設計。經過預置，整個頻段內有1/4的頻段由VCO1直接輸出，此時VCO2可以斷電。其余3/4的頻段由開關切換到VCO2輸出，在VCO1輸出的頻率基礎上搬移100 MHz或200 MHz來實現。下面以輸出4 000～4 400 MHz信號為例，工作原理如表1所示。

圖1　合成器工作原理

頻率起點/MHz頻率終點/MHz實現方式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

合成器的頻率步進取決于單片頻率源，本方案實現步進<1 Hz。

2關鍵技術分析

2.1雙環頻率預置技術

當合成器為寬帶輸出時，如果使用混頻環，就必須使用頻率預置的方法，將VCO的輸出頻率預置在需要的頻率附近，以免造成錯鎖、失鎖等問題。

頻率預置電路可以使用多種方法實現，如D/A預置[5]、掃頻等[6]。但很多預置方式對相位噪聲都有一定影響，尤其當合成器的相位噪聲很低時更為明顯。本次設計中采用了雙鑒相器切換的雙環頻率預置方式，其中預置環在頻率預置完成后就不再工作，其相位噪聲可不做考慮。預置原理如圖2所示。

圖2中，2個鑒相器均為電荷泵鑒相器，其輸出的控制信號通過同一個開關進行切換。2個環路中，上方環路為預置環，可以實現自鎖定。工作時開關先設置為第1鑒相器控制導通，預置環先鎖定到所需頻率，之后控制電路將開關切換到第2鑒相器控制導通，此時下方環路已進入快速捕捉帶，可迅速鎖定。

圖2　雙環頻率預置方式原理

由于第1鑒相器可使用小數分頻鑒相器，這種預置方式具有很高的預置精度。由于增加開關基本不引入額外的噪聲，該預置方式可以實現較高的相位噪聲指標。

2.2低相噪倍頻電路設計

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大約為-180 dBc/Hz@10 kHz。該指標雖然已滿足當前超低相噪合成器的需要，但是如果處理不當會大幅惡化該指標。因此倍頻過程采用2次2倍頻、2次信號放大，選用低噪聲放大器，盡可能提高信號電平、降低噪聲系數。

2.3諧波混頻技術

諧波混頻合成器的基本思想是使用一個較低頻率的激勵信號，通過諧波發生器、混頻器與較高頻率的信號進行混頻，混頻輸出信號經過低通濾波后，得到頻率較低的信號，供鎖相使用[4]。

以400 MHz的各次諧波信號與4 110 MHz的VCO信號進行混頻為例，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

中頻輸出經低通濾波后即可得到所需的110 MHz信號，供鎖相使用。

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

實現諧波混頻時，諧波激勵器應有較高的效率，各次諧波的輸出幅度較高而且盡量平坦。

2.4低相噪環路低通濾波器設計

使用雙鑒相器切換的頻率預置方式時，預置環與正常工作環的環路增益差別很大，可以達到上百倍，所以環路低通濾波器需小心設計，不僅要滿足混頻環低相噪指標，還要保證2個環路都能夠鎖定。

本設計中，環路低通濾波器采用反向積分式有源環路濾波器。設計環路低通濾波器時，為了實現低相噪，需考慮環路濾波器形式、環路帶寬、零極點設置、相位裕量、電荷泵電流設置、鑒相泄露抑制、電阻噪聲、運放選型[7]和VCO壓控靈敏度的變化等很多因素，是設計的難點之一。

3指標分析與測試

3.1相位噪聲指標計算

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

假設有N個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。如果每個有噪單元產生的相位噪聲都不相關，直接混頻后的總相位噪聲功率譜密度為[4]：

(1)

本設計中，總相位噪聲為晶振、倍頻器、單片頻率源、鑒相器、VCO和環路濾波器帶入的相位噪聲的疊加。全頻段內輸出相位噪聲理論上最差點為7 650 MHz，該頻率下相位噪聲計算如表2所示。恒溫晶振的相位噪聲指標按照-180 dBc/Hz@10 kHz計算。

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，各部分中對相噪指標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相位噪聲指標測試結果

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

考慮到信號分析儀N9030A PXA的基底噪聲大約為-129 dBc/Hz@10 kHz[8]，根據相位噪聲疊加原理，利用式(1)進行計算，實際相位噪聲在-132 dBc/Hz@10 kHz以下。

3.3雜散抑制指標分析

該合成器的遠端雜散主要通過屏蔽、增加開關級數和加強電源濾波處理等方式來抑制。

對于近端雜散，一部分可通過電磁兼容設計和加強電源濾波處理來控制，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合理設計環路濾波器來抑制；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。經過調試，合成器實現的雜散抑制指標可優于70 dB。

4結束語

該合成器是綜合考慮各項技術指標、成本、體積和復雜度等多個因素而設計的，并沒有一味地追求高指標，具有良好的工程實用性。如果增加該方案的復雜度，相噪指標還可以進一步提升。合成器采用了雙環頻率預置和諧波混頻等新技術，擁有優異的相位噪聲和雜散抑制指標，帶寬達到一個倍頻程，實現了小于1 Hz頻率步進，相位噪聲測試結果與理論值基本一致，反映出設計方案的合理性和科學性。通過對雙環頻率預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，可應用于諸多頻段的頻率合成器中，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1]雷振亞，明正峰，李磊，等.微波工程導論[M].北京:科學出版社,2010.

[2]MANASSEWITSCH Vadim.頻率合成原理與設計(第3版)[M].何松柏,宋亞梅,鮑景富,等，譯.北京:電子工業出版社,2008.

[3]楊新功,宋慶輝.超寬帶低相噪頻率合成器的實現[J].無線電通信技術,2006，32(3):39-41.

[4]蔡鵬飛,李青平,楊懿,等.基于諧波混頻技術的寬帶頻綜的設計[J].無線電通信技術,2013，39(8):73-75.

[5]李青平,劉方,蔡鵬飛.一種短波頻率綜合器的研制[J].無線電通信技術,2007，33(3):42-43,46

[6]王福昌,魯昆生.鎖相技術[M].武漢:華中科技大學出版社,1997.

[7]MANCINI R.運算放大器權威指南(第3版)[M].姚劍清，譯.北京:人民郵電出版社,2010.

[8]Keysight Technologies.PXA X-Series Signal Analyzer N9030A Datasheet[R],2015.

張大鶴男，(1984—)，工程師。主要研究方向：頻率合成技術。

李青平男，(1972—)，高級工程師。主要研究方向：頻率合成技術。

作者簡介

中圖分類號TN743

文獻標識碼A

文章編號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計[J].無線電工程,2016,46(2):58-60.