基于CRO的低相噪頻率合成器設計

張海拓

摘要：頻率合成器是現代電子系統的重要組成，本文采用同軸陶瓷介質振蕩器（CRO）進行了壓控振蕩器（VC0）設計，給出了頻率合成器的實現原理和設計方法，實現了低相噪的頻率合成器模塊，并對其性能進行了測試。

【關鍵詞】頻率合成 鎖相環 介質振蕩器 相位噪聲

1 概述

頻率合成器是被稱作現代通信系統的心臟，它對整個系統的性能指標起決定作用，廣泛應用于數字通信、衛星通信、雷達、導航、航空航天、遙控遙測以及高速儀器儀表等領域。頻率合成的方法有多種，具體采用那種方法實現，要根據實際工程需要進行選擇。相位噪聲頻率合成器的關鍵指標，是衡量輸出信號相位抖動大小的重要參數。隨著數字通信的應用越來越廣泛，研制具有低相位噪聲的頻率合成器具有十分重要的意義。

2 工作原理

鎖相式頻率合成技術，是在四十年代初根據控制理論的線性伺服環路發展起來的，它是目前頻率合成器的主流，本文采用該方案進行設計。在鎖相式頻率合成器中，鎖相環路相當于一窄帶跟蹤濾波器，能很好地選擇所需頻率的信號，抑制雜散分量，且避免了大量使用濾波器，十分有利于集成化和小型化。一個設計良好的壓控振蕩器具有高的短期頻率穩定性，而標準頻率源具有高的長期頻率穩定度，鎖相式頻率合成器把這二者結合在一起，使其合成信號的長期穩定度和短期穩定度都很高。

構成鎖相式整數頻率合成器的關鍵部分是鎖相環，它是一個相位誤差控制系統，通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之問的相位差，產生誤差控制電壓，調整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻同相。

壓控振蕩器（VCO）是鎖相環頻率合成系統的重要組成部分，在微波頻率范圍內的低頻端，常采用集中元件構成振蕩器，基本的振蕩器電路組態有三種：考畢茲型、哈特萊型及克拉潑型振蕩器。考畢茲型（a）用一電容器作為調諧電路中的分壓器，哈特萊型（b）用一抽頭式電感調諧電路，而克拉潑型振蕩器（c）則相似于考畢茲型，不同的是另外用了一只電容與電感相串連，以改善頻率穩定性。加入反饋網絡的目的，在于增加負阻電阻值，以獲得最佳功率輸出。

3 設計方案

本設計需求是輸出頻率為1600MHz的信號，相位噪聲是需重點關注的關鍵指標。相位噪聲與環路帶寬密切相關，環路帶寬內的相位噪聲主要由輸入噪聲決定，而環路帶寬外的相位噪聲則主要由VCO的相位噪聲決定，環路帶寬也與鑒相頻率有關，一般不超過鑒相頻率的1/5。要注意倍頻對相位噪聲的影響，倍頻將會造成參考信號相位噪聲的惡化，惡化的程度為20logN，其中N是分頻器的分頻比，也就是鎖相頻率合成器的倍頻數。

本設計對VCO相位噪聲要求較高，傳統的三點式振蕩器中，電感一般是相位噪聲提高的制約因素。終端短路結構的CRO器件在自諧振頻率以下可等效為高O值的電感，可用來進行高性能壓控振蕩器的設計。

本文采用ADI公司的單片集成鎖相環芯片ADF4113作為鎖相環電路的鑒相器，通過環路濾波器和壓控振蕩器電路的設計，實現了低相噪的頻率合成器。

3.1 壓控振蕩器（VC0）設計

本設計中的VC0的結構簡單介紹如下，該電路是在克拉潑電路結構上做一定改動后的西勒振蕩結構，該結構由于在電感的兩端并聯一個電容，更利于調節和起振。三極管采用NE68519，在低電源低電流下具有較高的增益。Rl，R2和R3，R4為三極管提供偏置，Ll起到扼流的作用，CI，C2提供反饋回路，CSER與L2，CVAR，Cl，C2提供諧振頻率。CVAR -般采用變容二極管實現，通過調節CVAR兩端的電壓實現頻率調節。

圖1為仿真電路，設計參數如圖所示，采用ADS2008對上述電路進行仿真，由圖2可知，設計實現了振蕩功能，壓控電壓為3V時，輸出頻率為1.596GHz，調試時對電容微調即可得到需求的1.6GHz。

3.2 環路濾波器設計

采用ADI公司的鎖相環仿真軟件ADIsimPLL進行設計和仿真，采用四階環路濾波器設計，可有效抑制參考雜散。設計時輸入參考頻率為10MHz，VC0使用ADS仿真的結果，環路帶寬可設置為5KHz，相位余量為45°。

4 實現及測試

根據以上仿真優化結果，在FR-4介質板上制作電路，用Agilent N9030A信號分析儀對設計的頻率合成器進行測試。通過測試結果，可以看出，其實現的相位噪聲指標較高，達到了-llldBc/Hz@lOkHz，-128dBc/Hz@lOOkHz，-142dBc/Hz@lMHz，滿足設計要求。

5 結束語

本文根據使用需求，通過理論分析進行了低相位噪聲頻率合成器設計，試驗情況表明，同軸諧振振蕩器（CRO）在自諧振頻率下，比電感具有更高的溫度穩定性和更高的0值，采用CRO進行鎖相環電路中的壓控振蕩器設計，可實現低相位噪聲的頻率合成器產品。

參考文獻

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