一種分頻降噪技術研究

張海福 吳蓉蓉

1. 西安電子科技大學 陜西 西安 710071；

2. 中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 50081

引言

在微波頻率源中，微波振蕩器和分頻器是關鍵部分。受技術、材料、環境等各方面的制約，相位噪聲的優化速度較漫長。而對于梳狀譜發生器或者可再生分頻器的研究相當于是另辟蹊徑，打開低噪的另一扇門。

1 分頻技術的原理

圖1 是再生式分頻器原理框圖，混頻器本振fin、射頻fin/2，中頻輸出fin/2和3fin/2。帶通濾波器對fin/2信號導通，放大器對fin/2信號放大，帶阻濾波器對3fin/2信號截止。調整移相器可改變環路相位條件；另外還有功分器一路輸出一路反饋。當環路增益和相位滿足條件時，分頻器輸出fin/2信號[1]。

圖1 再生式分頻器原理框圖

再生式分頻器相位噪聲理論公式為[2]：

Lout(f)是分頻后輸出信號的相位噪聲，等式右側Lin(f)是分頻后輸入信號的相位噪聲，N為分頻系數；Ldivder(f)是分頻器相位噪聲，Lcomp(f)是分頻器中單元部件的相位噪聲，Gm是環路中相位條件。

由式（1）可知，經二分頻(即N=2)后，理想情況下(滿足Gm=-1條件)，相位噪聲改善6dB。若不滿足Gm=-1條件，則相位噪聲改善小于6dB。分頻器的相位噪聲Ldivder(f)直接影響輸出信號的相位噪聲Lout(f)。分頻器中單元部件的相噪，具體的可用式（2）表示[2]：

式中上標為1/f 的子式表示放大器和混頻器的1/f 噪聲，為近載波相位噪聲；上標為thermal的子式表示放大器和混頻器的熱噪聲，為遠載波噪聲性能。由上式可知，再生式分頻環路中決定相位噪聲性能的主要是混頻器和放大器的相位噪聲及環路的相位條件。

再生式分頻環路包括無源和有源兩大類電路。無源電路包括濾波器、功分器。濾波器對fin/2信號導通，對fin信號要有足夠的衰減。另外，混頻器的IF端口有3fin/2信號輸出，所以設計中采用濾波器抑制分頻器的3fin/2信號。為了保證一定的抑制度，在放大器和功分器之間插入中心頻率為3fin/2的帶阻濾波器。功分器采用3dB功分設計。有源電路中，主要是放大器和混頻器的1/f 噪聲，通常放大器的1/f 噪聲較大。要選擇有低1/f噪聲性能的放大器。

遠載波噪聲性能主要是由放大器熱噪聲決定，公式表示為（3）：

從上面分析得出，放大器的噪聲性能是影響分頻器噪聲性能優劣的關鍵因素。

2 分頻方案

輸入信號和環路反饋的輸出信號共同作為混頻器的輸入。在穩定狀態下，混頻器的輸出包括了2種頻率成分，Fn/2和3Fn/2通過環路的濾波器去除了信號3Fn/2輸出信號的頻率便是輸入信號頻率的一半，其相位噪聲20Log(2)。該系統中決定相位噪聲性能的主要原因是：①混頻器和放大器的相位噪聲和環路的相位移為2Kπ的條件[3]；②分頻環內各個混頻器的幅度條件。只有當整個分頻環路滿足幅度的需求和相位需要，環路才能正常的穩定的工作，再生分頻器才能夠穩定的輸出分頻信號。

其中移相器的關鍵作用就在此。但是移相器是有源器件，而且由于控制電平的影響，會引入低頻噪聲，影響最終系統的相位噪聲。

在這個系統中本振的輸入功率要求較高，對二次諧波抑制也有一定要求。避免本振頻率的次諧波對分頻輸出頻率造成干擾。三平衡混頻器的優勢：①低變頻損耗和寬頻帶；②本振驅動電平范圍寬（+12dBm～+25dBm）；③雜散優良，圖2是三種類型的混頻器雜散對比圖。圖2所示，三平衡混頻器在這方面的優勢比較明顯；④相位噪聲優良[4]。

圖2 多種系列混頻器的雜散

3 低噪聲放大器

圖3 是可再生分頻環路裝置。它由兩級放大器、混頻器、移相器、功分器組成。

圖3 可再生分頻環路裝置

相位噪聲主要由放大器的低頻噪聲和高頻噪聲產生，低頻噪聲由于器件的非線性被搬遷到載頻附近，認為是乘性噪聲，它決定了近載波的相位噪聲性能；高頻噪聲是白噪聲，屬于加性噪聲，它被加到載波上去，由它決定了偏離載波較遠處的噪聲基底。級聯放大器的高頻噪聲有鏈路的第一級決定，級聯放大器鏈路的低頻噪聲為各級之和。放大器的線性度是關鍵，這也是選擇SIGE HBT放大器的主要原因。為了保證環路中增益，環路中采用兩級放大器[5]。

4 結束語

分頻系統本振輸入頻率10GHz的相位噪聲和分頻系統輸出頻率5GHz的相位噪聲對比發現，相位噪聲明顯降低6dBc。實驗結果表明，這種電路模式的相位噪聲指標與理論值相符合，雜散指標也比較優良。

但是從圖3可以看出，結構龐大，而且采用電纜連接的方式使得整個系統比較松散。下一步工作將對這些分立元單元進行集成，做到更小尺寸，更寬工作帶寬。