微波频率合成技术-下

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微波高稳定点频合成实现的主要手段是高次倍频方 式和数字分频反馈锁相方式 取样锁相: ¾ 结合了数字分频锁相和高次倍频的共同优点 ¾ 电路结构简单、倍频次数高、取样脉冲泄漏 小,具有功耗、体积、重量小 ¾ 附加相噪极小,相噪较直接倍频更优越,近似 为理论值(20lgN) ¾ 微波高稳定点频合成中最有生命力的产品之一
取样鉴相器 参考源 脉冲 形成 取样器 保持 电路 环路
LPF 放大
V c
VCO
f0
fr
nfr
f0
对VCO的输出反馈信号进行取样
脉冲形成及取样鉴相器电路
脉冲形成电路是用来将输入参考信号转换成窄脉 冲输出。目前,利用阶跃恢复二极管 SRD的电 流阶跃特性,可以将 10~500MHz 的正弦信号 转换成脉冲宽度在亚纳秒级的窄脉冲;实际的取 样鉴相器将脉冲形成电路集成在一起了。 ¾如商用的取样鉴相器 MP7000 系列由 三部分组 成:阶跃恢复二极管 D1 、两个电容C1 和 C2 及两 个肖特基二极管D2和D3。
常用的一些微波介质材料特性
材料系统 MgTiO3-CaTiO3 Ba(Sn,Mg,Ta)O3 Ba(Zn,Ta)O3 Ba(Zr,Zn,Ta)O3 (Zr,Sn)TiO4 Ba2Ti9O20 BaO-PbO-Nd2O3-TiO2 Ba6–3x(Sm1-yNdy)8+2xTi18O54 SrO-CaO-Li20-xLa2O3-TiO2-(1-x)Sm2O3 x=0.17 SrO-CaO-Li20-xNd2O3-TiO2-(1-x)Sm2O3 x=0.17 21 25 30 30 38 40 90 77 117.5 112.5 εr Q·f 55000 200000 168000 100000 50000 32000 5000 9000 4122 4928
1 DRO的设计 DRO 的 调 试 过 程中可能出现 跳模,甚至不 起振的现象 2 环路滤波:调试 输出最佳相位噪 声和杂散抑制度 平衡电路:有效 抑制梳状谱鉴相 泄漏 3 扩捕电路:设计 合理的扩捕环 路,通过调试确 保电路加电快速 入锁,且不易失 锁
Heriey公司的PLDRO 输出相位噪声(单环)
DR发展史
¾ 作为 “ 介质谐振器 ” ( DR ),其形状多数为圆 柱体 ¾ 介质谐振器的谐振模式有TE01n、TM01n ¾ 在微波频率下,微波介质材料的介电常数是 不随频率变化的,而 Q 值是随频率升高而下 降,因此我们用 Q·f 乘积来表征介质材料的基 本性能 ¾ 目前国内外已研制成功可适用的微波介质材 料列于表
取样锁相振荡器的原理
¾ 取样鉴相器通常由取样器和保持电路构成 ¾ 取样器实际上是一个高频开关,取样脉冲控制 此开关周期性闭合,完成对输入信号取样 ¾ 保持电路一般是一个电容器
取样开关 信号输入 保持电路 信号输出
Cd
取样脉冲输入
取样锁相振荡器的原理
射频信号
f 0=nf
r
取样保持电压
(阶梯电压)
射频信号 取样保持电压
取样锁相振荡器的原理
fr
取样鉴相器 参考源 脉冲 形成 取样器 保持 电路
LPF VCO
f0
f0
基准参考频率 f r 经电平放大、脉冲形成电路以后形 成窄脉冲,由于窄脉冲中含有丰富的谐波成分,其 中第N 次谐波分量与压控振荡器输出信号在取样鉴 相器中进行相位比较,输出鉴相电压经环路滤波器 滤波后控制压控振荡器输出频率的变化,将压控振 荡器输出频率锁定在基准参考频率的N次谐波频率 上,从而达到锁相倍频的目的
f 0=Nf
r
(直流电压)
取样脉冲
¾ 通过取样来比较输入信号和射频信号的相位 ¾ 输出的取样点电压是与两信号相位差相关的离散电压 ¾ 保持电路使该离散电压值在取样间隔期内保持到下一 取样时刻
取样锁相振荡器的原理
取样鉴相器输出的误差电压经直流 / 差拍放大和 环路滤波后,对压控振荡器的频率和相位进行调 节。只要 fo 在取样脉冲频率的 n 次谐波附近,就 可能通过环路本身的控制作用使fo最终锁定在nfr 上,从而实现了取样倍频的功能。由于n的取值 理论上可以很大,因此,倍频次数可以很高
Frequency offset from Carrier(Hz) Phase Noise (dBc/Hz) 5GHz Phase Phase Phase Noise Noise Noise (dBc/Hz) (dBc/Hz) (dBc/Hz) 10GHz 14GHz 26GHz 13GHz 的相噪曲线 Phase Noise (dBc/Hz) 45GHz
-110.05dBc/Hz@10kHz
DRVCO-电调介质振荡器
锁相后,电调介质振荡器的相位噪声会改善
-114.89dBc/Hz@10kHz
PLDRO研究现状史
取样锁相介质振荡器出现的比较晚,但是由 于它相位噪声低,倍频效率高,体积小,成本 低,可靠性高,输出频点选取灵活等一系列的优 点,人们纷纷开始对它进行研究,使得它发展迅 速,并越来越多的被应有用于各个领域 取样锁相介质振荡器(PLDRO)中DRVCO的电 调谐带宽比通常用在传统锁相电路中的单片集成 VCO的调谐带宽窄的多,只有几MHz到几十MHz, 将它用于取样锁相电路,可降低锁相的参考频 率,使输出频点的选取更为灵活
实际的取样鉴相器参数
典型的取样鉴相电路应用
3脚和5脚通过电阻接地形式
典型的取样鉴相电路应用
3脚和5脚接中频缓冲作用的射随器形式
脉冲取样锁相与一般的PLL差别
¾ 脉冲取样锁相:输出信号与参 nf = f r 0 考信号的n次谐波进行比相
1 ¾ 一般的 PLL :参考信号与输出 fr = f0 n 信号的1/n次分频进行比相
DR发展史
¾ 我国也从1976 年开始研制微波介质陶瓷,首次 由上海科技大学方永汉研究成功,1979 年鉴定 ¾ 之后国内一些单位如:上海大学、天津大学、 上海同济大学、华中科技大学、浙江大学、厦 门大学承担了国家 “863”计划中相应课题,并取 得了一定成果 ¾ 电子科技大学、清华大学、华南工学院、哈尔 滨工业大学、兰州大学、西安交通大学、北京 科技大学、电子13 所、电子9所和中科院上海硅 酸盐研究所等也对微波介质陶瓷材料及元器件 进行了研究
PLDRO的技术方案
PLDRO
DRO
采用二端口负 阻振荡器的原 理,用 S 参数 设计
扩捕 电路
取样锁相
包括脉冲形成、 取样器、保持 电路、环路滤 波及扩捕电路
取样鉴相器 参考源
放大 变压器
环路 保持 电路
LPF 放大
脉冲 形成
取样器
Vc
VCO
f0
fr
f0
对VCO的输出反馈信号进行取样
PLDRO的技术难点
¾ 从频率产生的效果来看,两者均是实现 对参考信号频率高次倍频 f 0 = nf r
锁相介质振荡器
——PLDRO Phase-Locked Dielectric Resonator Oscillators
一种有非常工程实用价值的微波频率合成源 其核心是采用高 Q 值的介质谐振器 VCO ,利用脉 冲取样鉴相技术,可以获得很高频率的高稳定、 低相噪微波本振源
S
DRVCO-电调介质振荡器
在 DRO 的基础上,介质谐振器再与变容管耦 合,实现 DRVCO 。变容管的引入,势必恶化 DRO的Q值,降低相位噪声。
并联反馈式
DRVCO-电调介质振荡器
介质振荡器与电调介质振荡器相位噪声对比
未加入变容管的介 质振荡器相位噪声 加入变容管后的介 质振荡器相位噪声
-113.54dBc/Hz@10kHz
DRO基本结构
50Ω G 50Ω D S DR
匹配网络
匹 配 网 络
串联 反馈
优点:机械调谐带宽宽,输出功率大,体积 容易做小 缺点:谐振器与漏极、栅极传输线强耦合, 电路的负载Q值低,相位噪声性能下降
DRO基本结构
DR G 50Ω D
匹配网络
50Ω
并联 反馈
优点:允许谐振器wenku.baidu.com栅极间呈现弱耦合,导 致非常高的负载Q值,相位噪声小 缺点:介质谐振器在栅极端口的位置不容易 确定,调试难度大
微波技术新进展
微波频率合成技术 (下)
2008年
锁相介质振荡器 ——PLDRO
Phase-Locked Dielectric Resonator Oscillators
微波高稳定点频合成器的比较
微波高稳定点频合成实现的主要手段是高次倍频方 式和数字分频反馈锁相方式 高次倍频链: ¾ 优点:原理简单、技术成熟、稳定可靠、相位 噪声相对较小。 ¾ 缺点:由于存在较多的倍频、放大、滤波环 节,功耗、体积、重量较大,调试量也较大。 同时由于热噪声及失谐等原因,使高次倍频器 相位噪声在理论值基础上有较大的附加噪声
介质 稳频前 介质稳 频后
> 600 2~4 60
Qext
推频系数 MHz/V 温度系数 PPM/℃
20~40 30~40 100~400
DRO发展史
1986 年, G.Lan 等人采用如图所示的结构,研制 了一输出 4GHz 的高稳定,超低相噪 FET 介质振 荡器

输出功率:11.5dBm 温度系数:±0.2PPM/℃, 相位噪声:-130dBc/Hz@10kHz 电调谐带宽:1.5MHz(且调谐过程不影响输出功率、效 率以及相位噪声特性)
DR发展史
目前微波陶瓷材料和器件的生产水平以日 本Murata、德国EPCOS、美国Trans-Tech、 美国 Narda MICROWAVE-WEST 、英国 Morgan Electro Ceramics 等公司为最高。其 产品的应用范围已在300MHz~40GHz系列 化,年产值均达十亿美元以上
PLDRO研究现状
国外的 Heriey 公司、 JJPLUS 公司、 Pascall 公司 等都有PLDRO产品 Heriey 公司的 PLDRO 频率覆盖了 3 ~ 45GHz , 输出功率+15dBm,最高可达到1瓦,杂散优于80dBc 。 参 考 输 入 频 率 从 10MHz 到 300MHz 均 可,当参考为外部输入时,如果采用双环的模 式 , 参 考 频 率 可 低 至 1MHz , 为 1MHz ~ 100MHz 深圳朗赛微波公司和南京钟山微波的PLDRO是 国内指标做的较好的,但和国外的相比,还是 有较大差距
100 1k 10k 100k 1M 10M
-91 -116 -126 -126 -141 -165
-85 -110 -120 -120 -135 -160
Δf × 10− 6 / f

–10~+10 –5~+5 –5~+5 –5~+5 –5~+5 +2~+10 –10~+10 9 +14.9 +13.5
DRO发展史
早在1974年,日本的Gunkichi Satoh就提出了介质谐 振器极高的Q值在微波集成电路中是很有应用价值 的,它可在固态源中起到无源稳频的作用
DR-DRO-PLDRO的发展演变
PLDRO DRO DR 介质谐振器 (DR) 的发展 史 介质振荡器 (DRO) 的 发 展史 取样锁相介 质 振 荡 器 (PLDRO) 的 发展现状
DR发展史
¾ 20 世纪70 年代,美国Raytheon公司首次研制成 功温度稳定性好、损耗低的Ba-TiO2系统的微波 介质 ¾ 1971 年日本NHK kanishi 报告了利用正、负温 度系数材料组合成温度稳定的介质谐振器 ¾ 1975 年美国贝尔实验室报道了进一步改进 BaTiO2系统的微波介质材料 ¾ 1977 年日本村田(Murata)公司研制出(Zr-Sn)TiO4 系统的微波介质陶瓷,它具有高Q 值和小频率 温度系数,使微波介质陶瓷走上实用阶段
微波高稳定点频合成器的比较
微波高稳定点频合成实现的主要手段是高次倍频方 式和数字分频反馈锁相方式 数字分频锁相: ¾ 优点:电路简单、技术成熟、稳定可靠、调试 量极小 ¾ 缺点:由于反馈分频比较大,数字鉴相器和反 馈分频器的附加噪声得到倍频次数的等效倍 增,因此相位噪声较差。
微波高稳定点频合成器的比较
DRO的特点
介质振荡器的主要优点是频率稳定度高、噪声 低、体积小、结构简单、价格低廉等,并且在 一到几十 GHz 的频率范围内直接产生所需的振 荡源
DRO基本结构
匹配网络
S G DR D 50Ω
匹配网络
反射型
优点:非常好的相位噪声特性和频率温度稳 定性 缺点:对负载变化非常敏感,需要采用输出 隔离器或缓冲放大器
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