基于谐波混频的高性能频率合成器

基于谐波混频的高性能频率合成器

作者：范吉伟

来源：《科技视界》2012年第32期

【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。

【关键词】频率合成；宽带；谐波混频；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。

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。

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f■与本振信号f■混频，得到低频的中频信号f■，f■滤波后输入到鉴相器，与参考信号f■鉴相，控制振荡器的输出f■，环路处于锁定状态时，f■、f■、f■、f■和f■之间存在如下关系：

f■=f■（1）

f■=f■-N×f■（2）

f■=f■（3）

f■由小数锁相环产生，频带较窄，但是具有很高的频率分辨率。f■是一个具有粗分辨率的本振信号，锁相环工作时，先通过设置本振信号的频率，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f■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；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，使用基波混频合成的电路比较复杂，增加了成本和体积。采用第三种方法合成的本振信号频率比较低，频带比较窄，具有很高的频谱纯度，在电路上也比较容易实现。使用本振信号的谐波与输出信号进行混频，对混频出来的中频信号的噪声不会造成恶化，并且电路简单，有助于频率合成器的小型化设计。混频后的中频信号，除了包含参与鉴相的低频信号，还包含f■与f■其它次谐波混频的信号，这些多余的信号如果输入到鉴相器，会使VCO的输出产生大量杂散，严重时还会导致环路失锁，因此要消除这些多余的杂散信号。由于这些信号的频率要远高于期望中频信号的频率，可以用低通通滤波器将这些混频产生的高频信号滤掉，低通滤波器接在混频器之后。

2.2 噪声分析

从图1中可以看出，振荡器输出噪声主要来源于锁相环的三个输入信号。锁相环的噪声传递方程如下所示[4]：

θ■={K■Z（S）[θ■-Z′（S）（θ■-θ■）]+θ■}■（4）

θ■=■θ■+■θ■+

■θ■（5）

由于Z′（S）滤的是中频信号，截止频率相对环路带宽要宽很多，将它近似为常数

令K■=K■K■Z′（S），

K■=K■K■，则有：

θ■=■θ■+■θ■+■θ■（6）

从式6可以看出，锁相环对于参考输入信号噪声和混频本振输入信号噪声都有低通滤波的作用，而对于VCO预置电压噪声是起带通滤波的作用，这要求降低参考输入信号和混频本振信号的低端噪声，降低VCO预置电压带内噪声。参考输入信号和混频本振信号都是通过锁相环产生的，通过合理设置这两个环路的带宽，可以使这两个信号的噪声满足环路要求。

2.3 VCO预置

采用谐波混频方式进行锁相频率合成，需要将输出信号混频成与参考频率相等的中频信号。锁相前，如果不对VCO进行预置，VCO初始频率可能偏离设定频率很远，此时混频产生的中频信号频率较高，如果高于低通滤波器的截止频率，中频信号就会被滤掉，不会反馈到鉴相器的输入端，造成环路失锁。即使中频信号低于低通滤波器的截止频率，不被滤掉，并且锁相环最终能锁定，VCO的输出也可能与设定的频率不同，这是因为此时的中频信号是输出信号与本振的非N次谐波混频得到。所以在锁相环锁相前，需要先将VCO的输出预置到设定频率附近，且预置频率与设定频率之间的差值不能超过低通滤波器的截止频率与参考信号频率差。

中频信号的带宽决定了VCO预置电压的准确度，由于中频信号的带宽很窄，因此要有高分辨率的电压源来提供预置电压，本方案采用DAC来预置VCO。宽带VCO的灵敏度一般都比较高，对于5-10GHz的VCO，灵敏度能达到300MHz/V以上，压控端微弱的电压变化都会对VCO输出噪声造成很大的影响，因此需要对DAC的输出电压进行滤波，由于锁相环对VCO的压控输入起带通滤波的作用，DAC后面接低通滤波器也能有很好的滤波效果，并且比带阻滤波器设计简单。滤波器采用了无源滤波器，避免引入新的噪声。