论文研究-X~Ku波段小步进低相位噪声频率合成器的设计 .pdf

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X~Ku波段小步进低相位噪声频率合成器的设计,任威,蔡竟业,本文介绍和分析了混频环微波波段频率合成器方案。深入分析了该方案在相位噪声方面存在的问题,这些问题导致整个合成器输出的远端
山国武技文在线 以及镦相环的闭坏传递函数 在拉普拉斯变换中,变量是复数,=σ+0。取σ=,=丌,可以得到频 域响应 环路滤波器是低通特性的由此可以推出 →0 通过以上两式可以看岀,锁相环的闭环传递函数呈低通特性,并且对于直流信号增益为 可等效看成窄带滤波器。 对于锁相环来说,其噪声源主要包括冮方面:,参考源相位噪声;,鉴相器噪声;,环 路滤波器引入的噪声; 相位噪声;,分频器相位噪声。结合图,可得出锁相环 的噪声模型,如图所示。 YCO 十 十 十 Divider 图锁相环的噪声模型 可以计算出环路锁定后,锁相环的输出相位 兀 山国武技文在线 兀 · 对上面式子进行化简和重新组合,可以得到 所有的噪声源是相互独立的,所以输山端的相位噪声是这五种噪声源的和: 是低通特性,所以式()前一项呈低通特性,后一项呈高通特性。 双环锁相环的相位噪声模型 双坏锁相环相位噪声模型如图所示: 图双环锁相环的相位噪声模型 根据以上的相位噪声模型,可以推岀整个双环锁相环的输岀相位噪声 其中 是堊个锁相环的闭环传递函数。 对于锁相环来说,其闭环伎遍函数具有低通特性,及对于很小的频偏,可以近似认为 ,带入式中,可以得到 山国武技文在线 由此可以看岀,整个频率合成器的近端相位噪声,主要由路决定。 对于很大的频偏 并且 。近似的可以忽略鉴相器、环跻滤 波器和分频器引入的相位噪声,可以得到远端相位噪声的近似表达式: 从式()可以看出,合成器的远端相位噪声,主要由相位噪声相对较差的决定,在 本系统中,由大环的决定 等效变化的问题 在双环锁相环合成器中,一个必须考虑的问题就是等效变化的问题。其原因主要 有两点:,微波压控振荡器的线性度不高,图显小了实际测量出的曲线;, 锁相坏内坏路分频器的变化相对较大( 因此导致等效 在整个带宽内变化较大,如图所示。从图中可以看出 。这样就导致整个频率合成器输出相位噪声曲线 变化很大 处的环路带宽是 处的大约倍左右,整个合成器输出的远端相 位噪声无法同时兼顾高端和低端。 11.1~13.1 GHz VCO的Kvco变化曲线 550 500 350 11.5 12 12.5 13.5 频率(GHz) 等效Kvco变化曲线 5 4 =3.5 11.5 12 12.5 频率(GHz) 图()实际测量的 的变化曲线;()等效变化曲线。 山国武技文在线 鮮决通过上述分析可以看出,在整个频率合成器硬件平台固定的情况下,无法有效的解 变化所带来的问题,下面通过分析环路滤波器得到相应的解决办法。对于本系统,综 合考虑调谐电压以及环路稳定性等因素,采用如图所示的二阶环路滤波器。 图反馈式二阶环路滤波器结构 在此结构中,可以推出电容电阻元件值的表达式 其中为环跻滤波器的带宽, 是 的增益,是锁相环的阻尼系数,是电 荷泵的输出电流,是锁相环的反馈分频器的分频比。对于固定的硬件平台米说, 和g是不变的。如果能改变电荷泵的输出电流,使得随着值的变化而相应变化,保持 在整个频带內相对固定或者在一个非常小的范围內变化,这样就可以使得 和 相对固定或者在一个很小的范围内变化。从而可以在相对较宽的频率带宽内,保证不同 频率时锁相环的输岀相位噪声的致性 环路滤波器中的电阻,特别是低通滤波器内的电阻会产生一定的热噪声,从而恶化 滤波器的输出相噪。电阻阻值越大,其对相位喚声的恶化就越明显。增大电荷泵的输出电流 可以降低电阻值,从而减小电阻产生的热噪声。在考虑相位噪声一致性的时候,电阻产 生的热噪声并不是影响宽带相位噪声一致性的上要原因,所以考虑时忽略了这部分的影响。 由于合成器输出频率高端倍频数最人,相位噪声恶化最人,所以在计算环路参数的时候,应 该按照频率输岀髙端来计算,并且选择最大的电荷泵电流。然后再相应的降低保证频 率低端的相位噪声一致性。 基于以上考虑,合成器的锁相环芯片采用公司的锁相环合成器芯片 该 心片可以通过软件控制来改变电荷泵的输出电沇,如衣所示。调整后的 曲线如图 所示。通过图可以看出,按照上述的方法,可以将 的变化范围改变为 从而较好的保持了整个带宽内的相位噪声一致性。 山国武技文在线 表 的电荷泵输出电流变化表 CPI CPI CP4 CPP CPl 5.k 11k 1.06 0.825 0289 0101U10 2.12 125 8 1101 4.24 2.5 1.160 312b e.36 3.75 1.73 742 4.375 020 .50 其中 是电流相对应的软件控制符,表中所示电阻值是对应的外部设置电阻 K'vco*Id变化曲线 6420 12.5 13.5 频率(GHz) 随频率的变化曲线 系统验证及实验结果 按照图所示频率合成方案,采用锁相环芯片 ,设计出 微波 频率合成器。其中参考频率为 对于 输出频率 ,为了得到很好的远端相位 噪声,采用介质压控振荡器, 计算出相应的 对于 输出 ,不同频率点的对应的如图中所示。按照 处的 参数计算出相应的 最终测得的实验结果如下表 表测试结果 山国武技文在线 图双环锁相环频率合成器的相位噪声测试结果 频偏处;(), 频偏处;(), 频偏处;(), 频偏欠 结束语 本文分析了微波波段频率合成器的实现方案及主要技术难点,在保持相位噪声一致性方 面提出了一种新的方案,及通过动态的调节锁相环的环跻参数,从而达到整个锁相带宽内相 位噪声一致性。最后通过工程项目验证了方案的正确性。 山国武技文在线 参考文献 集成射频微波压控振荡器产品手册,中国电子科技集团公司第十三硏究所,

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