微波频率合成技术-下

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 Narda 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
V c
VCO
f0
f 0=nf
r
取样保持电压
（阶梯电压）
射频信号 取样保持电压
f 0=Nf
（直流电压）
r
取样脉冲
通过取样来比较输入信号和射频信号的相位 输出的取样点电压是与两信号相位差相关的离散电压 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 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， 环路滤波后，对压控振荡器的频率和相位进行调 只要f 在取样脉冲频率的n次谐波附近 次谐波附近， 节 。 只要 o 在取样脉冲频率的 次谐波附近 ， 就 可能通过环路本身的控制作用使f 最终锁定在nf 可能通过环路本身的控制作用使 o最终锁定在 r 从而实现了取样倍频的功能。由于n的取值 上 ， 从而实现了取样倍频的功能 。由于 的取值 理论上可以很大，因此， 理论上可以很大，因此，倍频次数可以很高
DR－DRO－PLDRO的发展演变
PLDRO DRO DR 介质谐振器 (DR)的发展 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
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 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 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 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
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
DR发展史
作为“介质谐振器”（DR），其形状多数为 圆柱体 介质谐振器的谐振模式有TE01n、TM01n 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Qf乘积来表征介质材料的基本性 能 目前国内外已研制成功可适用的微波介质材 料列于表
常用的一些微波介质材料特性
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 其核心是采用高 值的介质谐振器VCO， 利用脉 值的介质谐振器 ， 冲取样鉴相技术，可以获得很高频率的高稳定、 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
DRO基本结构
50 D G 50 DR S
匹匹匹匹
匹 配 网 络
串联 反馈
优点：机械调谐带宽宽，输出功率大，体积 优点： 机械调谐带宽宽， 输出功率大， 容易做小 缺点：谐振器与漏极、栅极传输线强耦合， 缺点 ： 谐振器与漏极 、 栅极传输线强耦合 ， 电路的负载Q值低 值低， 电路的负载 值低，相位噪声性能下降
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 经电平放大、 基准参考频率 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， 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 中第 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， 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， 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 荡器输出频率锁定在基准参考频率的 次谐波频率 上，从而达到锁相倍频的目的
取样锁相振荡器的原理
取样鉴相器通常由取样器和保持电路构成 取样器实际上是一个高频开关， 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， 制此开关周期性闭合，完成对输入信号取样 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
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
匹匹匹匹
S G
D
50
匹匹匹匹
DR
反射型
优点：非常好的相位噪声特性和频率温度稳 优点： 定性 缺点：对负载变化非常敏感， 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
取样鉴相器 参考源 脉冲 形成 取样器 保持 电路 环路
LPF 放大
Vc
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， 冲输出 。 目前 ， 利用阶跃恢复二极管 SRD的电 的电 流阶跃特性， 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； 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。 样鉴相器将脉冲形成电路集成在一起了。 如商用的取样鉴相器MP7000系列由 系列由三部分组 如商用的取样鉴相器 系列由 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。
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 Qf 55000 200000 168000 100000 50000 32000 5000 9000 4122 4928
DR发展史
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 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 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
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
－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
f × 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
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： 优点：电路简单、技术成熟、稳定可靠、调试 量极小 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
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： 结合了数字分频锁相和高次倍频的共同优点 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 附加相噪极小，相噪较直接倍频更优越，近似 为理论值（20lgN） 微波高稳定点频合成中最有生命力的产品之一
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 输出功率： 温度系数： 温度系数：±0.2PPM/℃， ， 相位噪声： 相位噪声：-130dBc/Hz@10kHz 电调谐带宽： 且调谐过程不影响输出功率、 电调谐带宽：1.5MHz(且调谐过程不影响输出功率、 且调谐过程不影响输出功率 效率以及相位噪声特性) 效率以及相位噪声特性
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
脉冲取样锁相：输出信号与参 nf r = f 0 考信号的n次谐波进行比相
1 一般的PLL：参考信号与输出 fr = f0 信号的1/n次分频进行比相 n
微波技术新进展
微波频率合成技术 （下）
2008年 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： 优点：原理简单、技术成熟、稳定可靠、相位 噪声相对较小。 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
DRO基本结构
DR G
匹匹匹匹百度文库
D S
50
50
并联 反馈
优点：允许谐振器与栅极间呈现弱耦合，导 优点： 允许谐振器与栅极间呈现弱耦合， 致非常高的负载Q值 致非常高的负载 值，相位噪声小 缺点： 缺点 ： 介质谐振器在栅极端口的位置不容易 确定， 确定，调试难度大
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。