基于谐波混频的高性能频率合成器

三是，直接取低频本振信号的 N 次谐波。 前面两种方法采用的是基波
混频方式。 由于混频的本振信号频率较高，频带较宽，使用基波混频合
1 宽带频率合成方式
宽带频率合成的实现方式多种多样，但本质上都是以某个高指标 参考频率为基准，在它的基础上进行分频、倍频、混频等操作，从而生 成频带更宽的信号。 目前，合成宽带频率信号常用的方法是锁相环 ，主 要 有 以 下 三 类 [2－3]： 1．1 将高频振荡器的输出进行分频， 然后与低频的参考信号进 行 锁 相，控制高频振荡器的输出，实现倍频的功能 1．2 将高频振荡器的输出与相近频率的本振信号进行混频， 然 后 与 低频的参考信号进行锁相，控制高频振荡器的输出，实现混频的功能 1．3 将低频振荡器的输出进行倍频， 然后与高频的参考信号进 行 锁 相，控制低频振荡器的输出，实现分频的功能
合成 5-10GHz 的微波信号， 采用倍频锁相的方法需要频率 很 高 的参考，并且无法实现高分辨率 。 采用分频式锁相，需要先将振荡器的 输出进行 N 次分频，来获得与参考信号频率相同的信号，在环路处于 理想的情况下，振荡器输出信号的相位噪声要比相同频偏处参考信号
图 1 混频锁相环原理框图
差 20log（N）。 采用混频式锁相，振荡器输出信号的相位噪声将取决于 参考信号和混频的本振信号，没有参考信号的倍频噪声恶化。 所以采 用混频式锁相要优于采用分频锁相和倍频锁相。
【Key words】Frequency synthesizer; Broadband; Harmonic; Mixer; VCO
0 引言
频率合成器作为信号发生的关键部件，广泛应用在各类电子设备 中。 随着无线电通信技术的不断发展，电子设备对频率合成器的性能 要求越来越高，体积要求越来越小。 因此，设计高性能，小体积的频率 合成器具有很实际的意义 。 目前宽频段、高频率分辨率、低相位噪声的 频率合成器一般采用带有 YIG 振荡器的锁相环来实现， 但 YIG 振 荡 器有其固有的缺点：首先是体积大，不利于频率合成器的小型化设计， 其次 YIG 振荡器是电流型器件， 受电路中 电 流 和 温 度 的 变 化 影 响 较 大，驱动电路比较复杂[1]。 与 YIG 振荡器相比，VCO 具有体积小，功耗 低、驱动电路简单等优点，不足之处是覆盖的频段窄，相位噪声差。 但 随着电子技术的进步，VCO 覆盖的频段越来越宽，而 性 能 指 标 也 越 来 越好。 虽然目前 VCO 的噪声同 YTO 相比还是有很大的差距，但是本 文通过采用谐波混频方式， 并利用宽带低噪声锁相环路有效抑制了 VCO 的噪声[1]，获得了接近于 YTO 频率合成器同样的性能指标。
【 关 键 词 】 频 率 合 成 ； 宽 带 ； 谐 波 混 频 ；VCO High-performance Frequency Synthesizer Based on Harmonic Mixer FAN Ji-wei (The 41st Research Institute of CETC, QingDao Shandong, 266555)
2 频率合成器方案设计和实现
2.1 方案设计
频率合成器采用混频锁相方式，原理框图如图 1 所示。
VCO 反 馈 输 出 信 号 fRF 与 本 振 信 号 fLO 混 频 ， 得 到 低 频 的 中 频 信
号 fIF ，fIF 滤 波 后 输 入 到 鉴 相 器 ，与 参 考 信 号 fR 鉴 相 ，控 制 振 荡 器 的 输
号的频率，对输出信号进行粗调，然后设置参考信号频率，对输出信号
进行精调，将振荡器输出准确的锁到设定频率点上。 振荡器的频率范
围是 5-10GHz， 这要求与 fRF 混频的本振信号频率范围也在 5-10GHz
范围内。 生成该本振信号的方法有几种：一是，直接用一个与输出信号
相同频段的振荡器来合成；二是，通过将低频信号 N 次倍频来获得；
【Abstract】The combination of harmonic mixer and broadband VCO realizes the 5 ~10GHz frequency synthesis. Using harmonic mixing PLL ensures frequency synthesizer with low phase noise and high frequency resolution. The experimental results: The frequency range is 5~10GHz, The frequency resolution achieves 1mHz, The phase noise level is -105dBc/Hz@10kHz 、-106dBc/Hz@100kHz with output frequency of 7GHz. It has a high practical value.
出 fOUT ，环路处于锁定状态时，fOUT 、fRF 、fLO 、fIF 和 fR 之间存在如下关系：
fOUT =fRF
（1）
fIF =fRF -N×fLO
（2）
fR =fIF
（3）
fR 由小数锁相环产生，频带较窄，但是具有很高的频率分辨率。 fLO置本振信
机械与电子
Science & Technology Vision
科技视界
2012 年第 32 期（总第 47 期）
基于谐波混频的高性能频率合成器
范吉伟 （中国电子科技集团第四十一研究所 山东 青岛 266555）
【摘 要】将谐波混频锁相与宽频段 VCO 相结合，实现了 5-10GHz 的频率合成。 采用谐波混频锁相方式保证了频率合成器具有低相位噪 声和高频率分辨率。实验测试结果：频率覆盖范围 5-10GHz，分辨率达到 1mHz，输出信号在 7GHz 时，相位噪声为-105dBc/Hz@10kHz、-106dBc/ Hz@100kHz ， 具 有 较 高 的 实 用 价 值 。