一种低相位噪声的锁相环电路及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及频率合成领域，特别涉及一种低相位噪声的锁相环电路，还涉及一种低相位噪声的锁相环实现方法。
【背景技术】
[0002]频率合成器的使用范围非常广，如应用于雷达、通信、导航等领域，是现代电子系统中的重要组成部分。随着电子技术的不断发展，各类电子系统对频率合成器的性能指标要求也越来越高，如对频率转换时间、相位噪声、杂散、频率分辨率等多种指标提出了更高的要求。
[0003]其中，相位噪声是决定频率合成器性能的一个关键因素，低相位噪声性能能够改良雷达的改善因子，提高雷达强背景环境下检测信号的能力；能够改善电子系统的信噪比，增加信道之间的隔离度，降低临近信道之间的相互干扰。
[0004]目前主要的频率合成技术有:直接频率合成技术、锁相环频率合成技术和直接数字式频率合成技术。
[0005]直接频率合成技术一般由一个或者几个高稳定、高纯度的晶体参考源，通过倍频、分频和混频技术进行加、减、乘、除运算，产生各种频率，再通过电子开关对所需要的频率进行选择输出。
[0006]锁相环频率合成技术主要由压控振荡器、鉴相器、可变分频器和环路滤波器组成。压控振荡器的输出信号经可变分频器后在鉴相器内与参考信号比相。当压控振荡器发生频率漂移时，鉴相器输出的控制电压也随之变化，从而使压控振荡器频率始终锁定在N倍的参考频率上。
[0007]直接数字式频率合成技术是一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术，其主要由五部分组成:参考时钟、相位累加器、正弦查找表、D/A转换器和低通滤波器。直接数字式频率合成技术的基本工作原理是根据正弦函数的产生，从相位角度出发，用不同的相位给出不同的电压幅度，经过低通滤波器平滑处理就可以得到所需波形。
[0008]在现有的窄带锁相环电路中，常用的锁相环方案大多采用集成锁相环芯片和专用VCO来组建，其具有电路结构简单，功耗小等特点，但是由于采用单环锁相方式，相位噪声无法达到较好的效果。
[0009]直接频率合成技术电路结构复杂、体积大、成本高、研制调试困难，难以抑制非线性效应而引入的杂波干扰，具有非常高的杂散信号。
[0010]锁相环频率合成技术采用输出信号分频之后的信号作为反馈信号，并与参考信号进行混频，混频之后的信号作为鉴相器的输入信号，信号的相位噪声指标较差。
[0011]直接数字式频率合成技术受限于器件可用的最高时钟频率，输出频率上限不高无法产生射频波段的输出信号频率，此技术中必不可少的DAC器件的使用使得它的输出信号中产生了比较多的杂散信号，影响信号质量。
【发明内容】
[0012]为解决现有技术的不足，本发明提出了一种低相位噪声的锁相环电路及其实现方法，采用直接数字式频率合成技术和锁相环频率合成技术相混合的方案，3.25GHz射频波段的相位噪声能达到-130dBc/HZ@10kHZ，具有结构简单，体积小，功耗低等优点。
[0013]本发明的技术方案是这样实现的:
[0014]—种低相位噪声的锁相环电路，包括:控制单元、电源模块、参考信号、第一功分器、第一带通滤波器、第一混频器、低通滤波器、微波放大器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第二功分器、第二带通滤波器、第一射频放大器、第三功分器、第三带通滤波器、第二混频器、第四带通滤波器、直接数字式频率合成电路、射频变压器、第五带通滤波器、第二射频放大器、第六带通滤波器、第三射频放大器；
[0015]控制单元根据压控振荡器的输出频率计算出直接数字式频率合成电路和鉴相器的分频比，并控制直接数字式频率合成电路和鉴相器各自的输出信号以调控压控振荡器的输出频率；
[0016]电源模块为锁相环电路的各个部件提供直流电压；
[0017]第一功分器将参考信号分成2路；
[0018]第一带通滤波器用于抑制参考信号的杂散和噪声；
[0019]第一混频器对输入信号下变频，将参考信号的二次谐波与压控振荡器反馈信号进行差频，产生的差频信号作为鉴相器的一路参考输入信号；
[0020]低通滤波器用来滤除第一混频器混频之后多余的高频信号分量；
[0021]微波放大器对第一混频器混频之后的信号进行功率放大；
[0022]环路滤波器对鉴相器的输出电压进行滤除；
[0023]压控振荡器输出频率为锁相环最终的输出频率；
[0024]第二功分器将压控振荡器的输出分成两路，一路作为第一混频器的反馈输入信号，另一路作为压控振荡器的输出信号；
[0025]第二带通滤波器滤除压控振荡器输出信号中的杂散分量；
[0026]第一射频放大器放大压控振荡器输出信号的功率，以使第一混频器输出正确的鉴相频率；
[0027]第三功分器将参考信号分成2路；
[0028]第三带通滤波器对参考信号进行滤波和噪声抑制；
[0029]第二混频器将参考信号和直接数字式频率合成电路输出的信号进行上变频操作，产生的信号作为鉴相器的参考输入信号；
[0030]第四带通滤波器滤除参考信号中的杂散分量并抑制噪声信号；
[0031]直接数字式频率合成电路的输出信号作为第二混频器的输入信号；
[0032]射频变压器除了用于阻抗匹配，还对其输入信号进行功率放大并抑制近端杂散；
[0033]第五带通滤波器滤除直接数字式频率合成电路输出信号中的杂散分量；
[0034]第二射频放大器放大直接数字式频率合成电路输出信号的功率；
[0035]第六带通滤波器滤除上变频信号之外的高频和低频信号；
[0036]第三射频放大器对第二混频器混频输出信号进行功率放大。
[0037]可选地，所述锁相环电路由2块PCB板组成；控制单元和电源模块在一块PCB板上，剩余部件组成锁相环路在另一块PCB板上，两块PCB板通过穿心电容相连接。
[0038]可选地，所述锁相环路的PCB板通过开槽口与腔体连接。
[0039]可选地，在所述锁相环路PCB板的屏蔽盖板上增加吸波材料。
[0040]可选地，信号的输出端口通过SMA电缆连接器相连，并增加导电胶。
[0041]本发明还提出了一种低相位噪声的锁相环实现方法，
[0042]首先接通电源，根据设置的频率值计算出需要的直接数字式频率合成电路的分频比和鉴相器中的计数器值，并将控制信号传送到直接数字式频率合成电路和鉴相器，完成控制程序的初始配置；
[0043]参考信号的二次谐波与压控振荡器的输出信号在第一混频器中进行下变频操作，产生的信号作为鉴相器的反馈参考信号；
[0044]鉴相器的另一路输入信号由直接数字式频率合成电路的输出信号和参考信号上变频得到；
[0045]通过带通滤波器和低通滤波器对信号中多余的杂散信号进行滤除并且对噪声进行抑制，提高信号频谱的纯度，降低环路噪声；
[0046]通过射频放大器和微波放大器，保证各个信号的功率达到混频器和鉴相器的要求。
[0047]可选地，控制单元根据压控振荡器的输出频率计算出直接数字式频率合成电路和鉴相器相应的分频比，并控制直接数字式频率合成电路和鉴相器各自的输出信号以调控压控振荡器的输出频率；
[0048]电源模块为锁相环电路各个部件提供直流电压；
[0049]第一功分器将参考信号分成2路；
[0050]第一带通滤波器用于抑制参考信号的杂散和噪声；
[0051]第一混频器对输入信号下变频，将参考信号的二次谐波与压控振荡器反馈信号进行差频，产生的差频信号作为鉴相器的一路参考输入信号；
[0052]低通滤波器滤除第一混频器混频之后多余的高频信号分量；
[0053]微波放大器对第一混频器混频之后的信号进行功率放大；
[0054]环路滤波器对鉴相器的输出电压进行滤除；
[0055]压控振荡器输出频率为锁相环最终的输出频率；
[0056]第二功分器将压控振荡器的输出分成两路，一路作为第一混频器的反馈输入信号，另一路作为压控振荡器的输出信号；
[0057]第二带通滤波器滤除压控振荡器输出信号中的杂散分量；
[0058]第一射频放大器放大压控振荡器输出信号的功率，以使第一混频器输出正确的鉴相频率；
[0059]第三功分器将参考信号分成2路；
[0060]第三带通滤波器对参考信号进行滤波和噪声抑制；