Ku波段低相噪锁相介质振荡器

111 本振源相位噪声频域分析[122 ]
本振源的相位噪声是指各种随机噪声所造成的
瞬时频率或相位起伏 , 它决定本振源的短期频率稳
定度 。对于一个理想 、无噪声微波本振源 fo , 对应 频谱应如图 1 (a) 所示 , 但实际本振源内部存在 的噪声将对频率和振幅进行调制 , 所以实际频谱将
如图 1 (b) 所示 。
Semiconductor Technology Vol133 No17 6 23
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宋红江 等 : Ku 波段低相噪锁相介质振荡器
Ku2Band Low Phase Noise Locking Phase Oscillator with Dielectric Resonator
Song Hongjiang , Yin Zhe
( The 13th Research Institute , CETC , Shijiazhuang 050051 , China)
Ku 波段低相噪锁相介质振荡器设计参考输入 频率为 100 MHz , 鉴相频率 100 MHz ; 输出频率 fo ( fo 为 Ku 波段点频) , 相位噪声最大恶化 20 lgN + 3 dB≈47 dB , 以参考信号相位噪声优于 - 150 dBc @ 1 kHz , 则频率源输出相位噪声约为 - 150 + 47 = - 103 (dBc/ Hz @1 kHz) 。在设计中充分考虑如何 提高外参考信号的质量与采用高稳定的压控振荡器 成为方案设计的重点 , 介质压控振荡器具有带宽相 对较窄 , 频率稳定度高 , 相位噪声好的特点 , 在介 质压控振荡器中应选用高 Q 值的介质 , 通过仿真 及试验选取最佳的谐振位置 。为了提高相位控制的 性能 , 实际使用上必须有一个直流放大器和环路滤 波器 。整个系统尽量避免选用混频器等器件 , 使得 系统结构相对简单 , 便于实现小型化工艺 。 213 工作原理
如图 2 所示 , 来自参考源的信号经过取样鉴相 器产生梳谱信号 , 工作在 Ku 频段的梳谱信号与对 介质压控振荡器 (DRVCO) 的信号进行鉴相比较 , 产生误差电压来控制 DRVCO 的频率和相位 , 使其
图 2 原理方框图 Fig12 Schematic diagram
J uly 2008
Key words : phase noise ; locking phase ; dielectric resonator ; microwave ; local oscillator EEACC : 2890
0 引言
1 锁相介质振荡器的相噪分析
随着电子设备的发展 , 电子系统对频率源提出 了愈来愈高的要求 , 通过锁相技术得到高质量的微 波频率源的微波锁相频率源技术也得到很大发展 。 微波锁相频率源具有广泛的应用 , 由其独特的优良 性能决定了它具有载波跟踪特性 , 可以做高稳定 度 、高频谱纯度的频率源 , 可进行高精度的相位和 频率测量等 。取样锁相的突出优点是输出相位噪声 更低 , 因此 , 为了实现低相噪的本振源 , 采用取样 鉴相技术 , 直接在 VCO (介质压控振荡器) 所处 频段高频鉴相 , 不对参考信号进行预分频处理 , 使 得 N = f VCO/ f RE最小 ; 同时采用低相噪的介质压控 振荡器作为锁相源的 VCO , 从而实现低相噪的本 振源 (即锁相介质振荡器) 。
实际分析时 , 可只分析调频噪声而不计调幅噪
声的影响 。应用调频波理论对单一频率调制的调频
波进行分析 、计算 , 可以得到
￡( f m) = 10 lg (η2/ 4)
(1)
式中 : ￡( f m) 为用分贝表示的偏离载频 f m 处 1 Hz
6 22 半导体技术第 33 卷第 7 期
2008 年 7 月
为
L ( f m) = L ( f m) REF + 20 lg ( f VCO/ f REF)
(5)
式中 :L ( f m) 为单边带相位噪声 ; L ( f m) REF为参考源
的相位噪声 ; f VCO为压控振荡器的频率 ; f REF为鉴相
频率 ; f m 为频偏 。可见 , 影响本振源相位噪声指标
图 1 正弦波信号的频谱图 Fig11 Sine wave signal spectrum
111 锁相介质振荡器的相位噪声分析 锁相环路输出端总的相位方差为[ 2 ]
S<out (f )
= [ N2 S<reft
+
1 K2d
S
<b
(
f
)
+ S<a (f ) ]
H(jω)
2+
[ N2 S<reft
设计介质振荡器时 , 按照反馈放大器的方式来 设计 。如图 3 所示 , 反馈振荡器由放大电路 、反馈 电路和调谐电路三部分组成 。
图 3 反馈式振荡器原理图 Fig. 3 Schematic diagram of feedback oscillator
在介质振荡器的主放大器进行设计时 , 确保振 荡频率处的增益最高 、输入端口驻波较大 , 而在其 他的频率处尽可能没有增益 , 更不应该存在寄生振 荡 。调试时根据经验和有关计算数据 , 改变介质的 位置从而改变反馈的相位和功率 , 使满足振荡条 件 , 而且在介质振荡器的非谐振频率上没有合适的 反馈 。为了对振荡器进行电压控制 , 把变容二极管 固定于介质谐振腔周围的微带线上 , 利用微带线和 介质间的耦合作用改变回路的电容值 , 从而实现频 率随电调电压的变化 。最终产品中 DRVCO 实现的 相 位 噪 声 指 标 为 - 127 dBc/ Hz @ 1 MHz ; - 105 dBc/ Hz @100 kHz 。设计出的介质振荡器的电 原理图如图 4 所示 。
S <H ( f )
=
1 K2d
KVCO
ω
2
S <b ( f ) + S <VCO ( f )
(4)
由此可见 , 环路对 VCO 的噪声响应呈高通响
应 , B h (即 ωn) 越大 , 环路对它们的抑制就越强 。
2 低相噪锁相介质振荡器的设计
211 设计依据 在理想情况下 , 锁相的典型相位噪声计算公式
的主要因素有两个 :参考源的相位噪声 L ( f m) REF和
本振频率与鉴相频率的比值 f VCO/ f REF 。通常情况 , 参考源由晶体振荡器提供 , 国内产品的相位噪声指 标已可和国外产品相当 。而影响本振源相位噪声指 标关键因素是 N = f VCO/ f REF , 一般的鉴相电路通常 采用将压控振荡器和参考信号分频后在低频鉴相 , 这样的方法会使 N 变得较大 , 从而使 L ( f m) 变差 。 因此 ,为了实现低相噪的本振源 , 使用取样鉴相 , 直 接在 VCO 所处频段高频鉴相 , 使得 N = f VCO/ f REF实 现最低值 ,从而使 L ( f m) 实现最低 。 212 设计原理
频率为参考信号的整数倍 。由于 DRVCO 的带宽很 窄 (被设计为 013 %～015 %) , 在其压控范围内 , 只有一个频点是参考源的整数倍 , 当压控电压控制 DRVCO 的 频 率 到 达 这 一 频 点 时 , 环 路 即 锁 定 , DRVCO 的输出频率稳定在参考信号的 N 倍频上 。 214 电路设计 21411 振荡器设计[3]
+
1 K2d
S
<b
(
f
)
+ S<VCO (f ) ]
He (jω)
2=
S<L (f ) H(jω) 2 + S<H(f ) He (jω) 2
(2)
式中 : S <out 、S <reft 、S <VCO分别表示环路总输出 、参 考源输出和 VCO 输出的相位噪声 ; S <a 、S <b分别表 示鉴相器 、环路滤波器相位噪声 。等式右边第一项
Abstract : Ku2band low phase noise locking phase oscillator with dielectric resonator was developed using sampling phase2locked technology. The theory and its characteristics of sampling phase2locked loop were analyzed and the design process was described. The circuit was realized with idealHale Waihona Puke Baidulow phase noise , and it was tested and modulated. The results show that the output frequency of the sampling locking phase oscillator is 17 GHz , output power is ≥10 dBm , spurious rejection ratio is ≥70 dBc , phase noise are - 103 dBc/ Hz @ 1 kHz , - 107 dBc/ Hz @10 kHz , - 110 dBc/ Hz @100 kHz , - 128 dBc/ Hz @1 MHz.
Ku 波段低相噪锁相介质振荡器采用取样锁相 技术 , 在 Ku 波段使用取样鉴相器进行鉴相 。低频 的参考信号进入取样鉴相器后 , 激励取样脉冲产生 器 , 使其产生重复频率与参考信号频率相同的取样 窄脉冲 。取样脉冲按参考信号频率通过取样器对 VCO 的输出振荡信号进行取样 。取样器将其每次 取到的电压经基带放大器放大后 , 去控制 VCO 的 频率 , 使其与参考信号频率的整数保持一致 。
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宋红江 等 : Ku 波段低相噪锁相介质振荡器
带宽的单边带相位噪声功率谱密度 η; 为调制指数 。
管进行电压2频率控制 。取样鉴相器中取样脉冲产 生器由阶跃二极管实现 , 两支工作在 Ku 波段的检 波管提供比相鉴相的功能 。鉴相后的误差电压通过 高阶的环路滤波后控制 DRVCO 。环路设计如下
环路 阻 尼 系 数 取 ξ = 01707 , 由 噪 声 带 宽 为 0153 ωn得环路自然频率 113 ×106 (rad/ s) ;
为低通型噪声响应 , 第二项为高通型噪声响应 , 下
面将分别计算 。
①低通型噪声响应
S<L ( f )
= [ N2 S <reft
+
1 K2d
S
<b
(
f
)
+
S<a ( f ) ]
H(jω)
2
(3)
可见 , 想要减小低通型噪声响应输出 , 首先必
须设计和选用噪声小的数字电路和部件 、其次是降
低分频比 N 和减小环路噪声带宽 BL 。 ②高通型噪声响应
集成电路设计与开发
Design and Development of IC
Ku 波段低相噪锁相介质振荡器
宋红江 , 尹哲
(中国电子科技集团公司 第十三研究所 , 石家庄 050051) 摘要 : 应用取样锁相技术对 Ku 波段低相噪锁相介质振荡器进行了研究 , 对取样锁相技术的 工作原理和电路特性进行了分析 , 阐述了取样锁相环路的设计过程 。对制成的实物进行了测试和 调试 , 取得了预期的相位噪声指标 。实验结果表明 , 该取样锁相源的频率为 17 GHz , 输出功率 ≥10 dBm , 杂波抑制比 ≥70 dBc , 相位噪声 - 103 dBc/ Hz @1 kHz , - 107 dBc/ Hz @10 kHz , - 110 dBc/ Hz @100 kHz , - 128 dBc/ Hz @1 MHz 。 关键词 : 相位噪声 ; 锁相 ; 介质谐振器 ; 微波 ; 本振源 中图分类号 : TN75319 文献标识码 : A 文章编号 : 10032353X (2008) 0720622204