一种超低相噪参考源的设计与实现

张士峰;刘亮;松;范吉伟;杨东营

【摘 要】The issue aims at the design and implement of ultra low phase noise reference source. Analyzes the factor of affect the phase noise of PLL frequency synthesizer,mentions a frequency synthesize technique can synthesize wide band, big step, ultra low phase noise reference source with Comb Spectrum Generator. The experimental results:The frequency range is 3~6GHz,frequency step is 75MHz, The phase noise level is -130dBc/**************************************.Ithasahighengineering practical value.%本文设计并实现了超低相位噪声参考源.分析了锁相频率合成相位噪声的影响因素,提出了一种采用梳谱发生器合成宽带、大步进、超低噪声参考源的频率合成方案.实验测试结果:频率覆盖范围3~6GHz,频率步进75MHz,3.1125GHz时,10kHz频偏处的相位噪声约为-130dBc/Hz,具有较高的工程实用价值.

【期刊名称】《电子测试》 【年(卷),期】2017(000)009 【总页数】3页(P111-113)

【关键词】锁相环;频率合成;相位噪声;梳谱发生器 【作 者】张士峰;刘亮;松;范吉伟;杨东营

【作者单位】中国电子科技集团公司第四十一研究所,安徽蚌埠,233006;中国电子科技集团公司第四十一研究所,安徽蚌埠,233006;中国电子科技集团公司第四十一

研究所,安徽蚌埠,233006;中国电子科技集团公司第四十一研究所,安徽蚌埠,233006;中国电子科技集团公司第四十一研究所,安徽蚌埠,233006 【正文语种】中 文

在现代通信、雷达、电子对抗及电子测量仪器中，尤其是在相位噪声测量仪器中，参考源的相位噪声优劣直接决定仪器的相位噪声测量灵敏度指标。相位噪声测量设备不仅对参考源的指标有着极高的要求，同时也希望能够尽量少占用测量设备机箱内有限的空间。根据设计要求，需要为相位噪声测试仪设计参考源，要求输出频率范围3～6GHz，相位噪声在3GHz左右10kHz频偏处要小于-125dBc/Hz，频率步进75MHz，并且占用电路板面积在150mm×200mm内。本文将介绍一种电路规模小，相位噪声指标优异的宽带低噪声参考源的设计与实现方法。 1.1 宽带频率合成实现方案

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，合成宽带微波频率信号常用的方法是锁相环，如图1所示，主要有以下两类[1,2]。 1）将微波振荡器的输出进行分频，分频后的反馈信号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，即锁相环直接倍频技术。

2）将微波振荡器的输出与本振信号的谐波或基波进行混频获得中频反馈信号，中频反馈信号与低频的参考信号进行锁相，控制微波振荡器的输出，即谐波或基波混频技术。

图1所示的方案均能实现宽带、大步进的频率合成，在采取相同相位噪声水平的鉴相器和振荡器以及相位噪声足够低的参考信号fref情况下，锁相环输出的相位噪声取决与反馈信号的相位噪声水平。 1.2 相位噪声分析

锁相环路中加入可变除N分频器可以解决两个问题。首先是不改变输入参考频率就可以改变VCO的输出频率，为实际应用提供了方便；其次是提高了输出频率的分辨率，降低了鉴相的参考频率。为了分析可变除N分频器对环路噪声的影响，在这里仍然把分频器看作是一个理想部件，而本身的相位噪声用外加于输出端的Φnd(s)来表示。同时由于分频的原因，在其输出端还有Φo(s)/N。如图2-5所示[1]。

图2 所示有可变除N分频器锁相环相位噪声谱密度函数为：

显然，环路中加入可变除N分频器之后，对VCO来说，它实际就变成了倍频器。在低频率偏移时，G(jωm)≈1，Sϕnd(ωm)相对Sϕi(ωm)是小的，所以噪声增加了20logN。但是在很多情况下，分频器的输出噪声恶化要远大于20logN的计算所得，原因在于分频器对相位有采样效果，使相位噪声在频域上拓展，当输入噪声带宽较大时，就会发生混叠，从而使噪声抬高。通过锁相环的传递将影响到输出信号。常见多模分频器的单边带相位噪声一般在-150～-140dBc/Hz，这样除了噪声要恶化20LogN外再加上附加相位噪声的影响，采用具有可变除N分频器的锁相环难以达到3GHz左右10kHz频偏处要小于-125dBc/Hz的要求。 图3表示混频器对输入信号的作用[3]，Vacos[2πv01t+φ1r(t )]和Vbcos[2πv02t+φ2r(t)]是混频器的两个输入信号；则混频器的输出信号是Vccos[2π(v01±v02)t+φ1r(t)±φ2r(t )]。不难看出，混频器在对频率v01和v02进行加减的同时，两个信号的相位φ1r(t)和φ2r(t)也进行了加减。因此，混频器又可以看作是相位的加法(或减法）器。

图4 表示混频器对相位的加减作用。在一般情况下，信号的相位rφ包括直流分量0φ噪声ntφ和杂散三部分，若忽略直流分量0φ，只考虑混频器对噪声的影响，则

在不相关的条件下，功率谱密度总是相加而不会相减。

根据以上分析，若输出的本振信号足够好，经过混频器后锁相环反馈信号理论上最多恶化3dB，只要参考信号及本振信号相位噪声足够低，则锁相环输出信号的相位噪声就可以做得很低。因此，采用混频锁相方式可是实现低相噪的频率合成。 采用混频锁相方式进行低噪声频率合成的关键在于混频器本振信号发生电路的设计。要使锁相环输出信号相位噪声在10kHz频偏处达到-125dBc/Hz，则混频器的本振信号的相位噪声必须优于这个指标才行。根据设计要求，混频器的低噪声本振信号要覆盖3～6GHz的频率范围。要产生如此宽范围的低噪声本振信号有两种方式。一种是对低噪声晶振进行多次倍频、分频、混频进行组合，此种方式获得的信号噪声以20LogN（N为相对参考信号的倍数关系）恶化，而且附加的相位噪声恶化很小，可产生极低的相位噪声。但是，需要进行多次频率变换，电路极其复杂，需要占用大量的电路板空间。另一种方式是采用梳状谱发生器，优异的梳状谱发生器噪声恶化也能做到接近20logN的恶化，与前者比采用梳谱发生器能够节省更多的空间。

另一方面，参考源频率步要小于80MHz，这就要求锁相环鉴相频率小于80MHz。为了满足相位噪声、频率范围、频率步进的整体要求，提出了如图5所示的超低噪声参考源频率合成方案。本设计采用100MHz超低相位噪声恒温晶体振荡器作为基准源，首先对基准源进行3倍频，倍频后的300MHz信号经8分频后产生的37.5MHz信号与开关切换、带通滤波获取的112.5MHz作为微波本振环的参考信号。梳谱发生器由300MHz激励产生的梳谱经滤波后与微波本振信号进行混频，产生37.5MHz或112.5MHz的中频信号，中频信号与参考信号进行鉴相通过环路滤波器驱动VCO，产生3～6GHz的合成信号，频率步进75MHz。由于梳谱发生器输出的信号为以300MHz为基波的一系列梳状谱，而混频器需要的是3～6GHz的本振信号，因此需要使用带通滤波器滤除掉无用的信号。 本文设计的超低噪声参考源输出频率范围2.9625～6.0375GHz，频率步进

75MHz，相位噪声测量结果如图6所示。输出频率为3.1125GHz时，10kHz频偏处的相位噪声约为-130dBc/ Hz；输出频率为6.0375GHz时，10kHz频偏处的相位噪声约为-125dBc/Hz。频率范围、频率步进及相位噪声满足了设计要求。 从这两组测量结果上看，在10kHz频偏处，2.9625GHz与3.0375GHz的相位噪声差约6dB，这主要是采用的梳谱发生器输出谐波次数分别是10次和20次，这个结果满足在倍频过程中相位噪声以20logN恶化的理论值，另外在远端几百kHz处两者相差较少主要是受梳谱发生器噪声底部，而非取决于晶体振荡器。 本文介绍了一种超低噪声参考源的设计方案，分析了采用混频锁相环进行低噪声设计的理论依据，提出了使用梳谱发生器作为混频器本振信号的简化电路手段，无论是在理论分析还是在方案设计上对于电子设备频率合成面的研究均具有一定的参考及实用价值。

【相关文献】

[1]白居宪.低噪声频率合成[M].西安:西安交通大学出版社,1995.

[2]范吉伟.基于谐波混频的高性能频率合成器[J].科技视界.2012，32：127-128. [3]张有正，陈尚勤，周正中.频率合成技术[M].北京：人民邮电出版社，1984.33-35.

[4]杨东营，闫亚力，韩翔.一种改善微波锁相参考源相位噪声的方法[J].2015年全国微波毫米波会议论文集,2015.

[4]周叶华，叶宝盛，胡骥，卢胜军.基于取样混频的宽带低相噪频综研究[J]. 通信对抗，2013.01.