一种改进的三环宽带频率综合器的实现方法和装置的制造方法

文档序号:9600430阅读:398来源:国知局
一种改进的三环宽带频率综合器的实现方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波/毫米波器件技术领域,是一种可以广泛应用于宽频带测试仪表 的频率综合器的实现方法和装置。
【背景技术】
[0002] 宽带频率综合器是一种可以广泛应用于矢量信号源、频谱仪、矢量网络分析仪、信 道模拟器等仪器的重要模块,该模块需要给仪表提供低相位噪声、宽频带的本振源。频率综 合器的输出频率范围、相位噪声性能直接决定仪表的性能指标。故宽频带、低相噪、低成本、 低杂散的频率综合器的设计方法尤为重要。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的是提供一种改进的三环宽带频率综合器的实现方法和装置,具有低 相噪、宽频带、低杂散的特点,能够大大降低仪器的成本和功耗。
[0004] 为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
[0005] -种改进的三环宽带频率综合器的实现方法,对三环宽带频率综合器的参考环、 粗调环和加法环进行如下改进:
[0006] 对于参考环的改进:在原参考环的基础上,将1GHz锁相环换为低噪声的十倍频器 与带通滤波器的组合,即1GHz是由100MHz信号直接倍频产生;
[0007] 对于加法环和粗调环中环路低通滤波器的改进:采用数/模转换器DAC预调谐压 控振荡器VC0的方法来辅助环路锁定,并在环路滤波器加法电路之后加入无源比例积分低 通滤波器,保持环路滤波器传递函数与原环路滤波器相同,故能够使得整个环路的阶数和 状态保持不变;
[0008] 对于加法环的压控振荡器VC0远端相位噪声的改进:将3~6GHz宽带压控振荡器 VC0换为N个带宽较窄、线性度和相位噪声性能更好的压控振荡器VC0,并加入射频开关来 进行压控振荡器VC0的切换;设计加法环的环路带宽小于粗调环模块的环路带宽。
[0009] 对于三环频率合成器中的加法环和粗调环中环路低通滤波器的改进的具体实现 方法是:通过运算放大器设计的加法电路与环路滤波器的输出电压相加,作用于压控振荡 器VC0的电压调谐端,此时数/模转换器DAC的输出电压调谐压控振荡器VC0振荡在所需 要的输出频率附近,使得锁相环环路能够捕捉并锁定;要环路锁定,数/模转换器DAC预调 谐压控振荡器VC0的初始振荡频率fve。应满足以下两个条件:
[0010] fMIX_fREF〈fvCO〈fMIX+fREF
[0011] |f0UT_fvc0 |〈ΔfLp
[0012] 其中,fMD!是混频输入频率,fREF是参考输入频率,f〇υτ是需要的环路输出频率,Λfυ 是环路滤波器频率调谐范围,是环路滤波器的输出电压范围和VC0的调谐灵敏度的函数;
[0013] 由于粗调环路所使用的鉴相器是差分输出的结构,故环路滤波器的设计采用有源 差分环路滤波器结构;
[0014] 有源差分环路滤波器的输出电压经过加法电路与数/模转换器DAC的输出电压相 加,作用于压控振荡器VC0调谐端;若加法电路的传递函数是A(S),则环路滤波器的传递函 数可表示为
[0016] 在加法电路之后加入无源比例积分低通滤波器,并修改原环路滤波器部分元件 值;该环路滤波器是在原环路滤波器的基础上,在加法电路之后串联了一个阻值为R2的电 阻,并并联了一个阻值为&的电阻和电容值为(:2的电容串联组合,形成了一个无源比例积 分低通滤波器,并且把原环路滤波器中的两个电阻的阻值由R2改为1?2+&;该环路滤波器的 传递函数可表示为
[0018] 对比以上两式,改进后的环路滤波器传递函数与原环路滤波器相同,故能够使得 整个环路的阶数和状态保持不变。
[0019] -种改进的三环宽带频率综合器的实现装置,包括参考环、粗调环和加法环,所述 参考环包括依次串联的恒温晶体振荡器、十倍频器、带通滤波器、分频器、可编程分频器,可 编程分频器通过单极四掷开关连接有一个带通滤波器和三个低通滤波器;所述加法环和粗 调环中包含环路低通滤波器,环路低通滤波器连接有加法电路,加法电路连接有无源比例 积分低通滤波器;所述加法环包含加法器,加法器连接有若干个压控振荡器VC0,若干个压 控振荡器VC0通过射频开关进行切换。
[0020] 本发明的有益效果是:
[0021] 本发明提出了一种改进的三环宽带频率综合器的设计方法,该方法对传统三环频 率合成器中的参考环、粗调环和加法环进行改进,具有低成本、低功耗、低相噪、低杂散、低 功耗、小体积易于集成的优点。
【附图说明】
[0022] 图1为现有的参考环的示意图;
[0023] 图2为本发明改进的参考环的示意图;
[0024] 图3为现有的加法环有源环路滤波器的示意图;
[0025] 图4为本发明改进的加法环有源环路滤波器的示意图;
[0026] 图5为本发明的加法环VC0远端相位噪声的改进方案;
[0027] 图6为多环锁相频率合成器结构框图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0029] 三环锁相频率合成技术是综合运用锁相环频率合成技术和直接频率合成技术的 混合频率合成技术,具有输出频率分辨率高、输出频率范围宽和输出频率相位噪声低等优 点,常用于高性能的射频或微波信号发生器。
[0030] 如图6所示,三环频率合成器由细调环、粗调环和加法环三个锁相环路构成。其 中,粗调环工作在合成器的工作频段,提供大步进的较高频率输出,以实现高工作频率和宽 输出频率范围的性能指标;细调环的输出经过后置分频器后,工作频段等于粗调环的输出 频率增量,提供小步进的较低频率输出,以实现高输出频率分辨率的性能指标;最后由加法 环将这两部分输出加起来。该频率合成器的工作频段取决于粗调环,而输出频率分辨率取 决于细调环。
[0031] 三环锁相频率合成器的细调环和粗调环都是经典的锁相环频率合成器结构,由 于细调环的VC0输出经过了分频器,相位噪声得到了改善,通常细调环的输出相位噪声远 好于粗调环的相位噪声。加法环则不同于一般的锁相环结构,是反馈回路插入混频器的混 频结构锁相环,对混频结构锁相环的相位噪声特性经行分析,可以得出总的输出相位噪声 9no(S)为:
[0033] 其中,θηι(8)是等效参考输入相位噪声,VPD(s)是鉴相器输出电压噪声,\F(s)是 环路滤波器输出电压噪声,9nv(s)是VC0输出相位噪声,θη(8)是混频器本身引入的相位 噪声,0^(8)是混频器输入信号的相位噪声,KD是鉴相器的鉴相灵敏度,锁相环频率合成器 的闭环传递函数T(s)。
[0034] 混频结构锁相环总的输出相位噪声,环路带宽以内的部分主要由参考源、混频输 入信号、鉴相器和混频器的相位噪声决定;环路带宽以外的部分则主要由VC0的相位噪声 决定。
[0035] 与经典锁相环结构相比,混频结构锁相环的带内输出相位噪声主要由粗调环输出 相位噪声决定,带外输出相位噪声则主要由加法环的VC0相位噪声决定。针对混合环的特 点,本发明在参考换、粗调环和加法环上提出了改进的方案:
[0036] 对于参考环的改进:如图1和图2,在原方案的基础上,将1GHz锁相环换为低 噪声的十倍频器与带通滤波器的组合,即1GHz是由100MHz信号直接倍频产生。如今, 市场上的高性能0CX0产品的相位噪声指标已可以达到-130dBc/Hz@100Hz、-159dBc/ HzOlkHz、-170dBc/Hz@10kHz、-175dBc/Hz@100kHz、-178dBc/Hz@lMHz,理论上,若使用该 0CX0,lGHz输出相位噪声最好可以达到-110dBc/Hz@100Hz、-139dBc/Hz@lkHz、-150dBc/ Hz@10kHz、-155dBc/Hz@100kHz、-158dBc/Hz@lMHz。对传统的参考环的特性参考模块的近端 相位噪声决定了最终加法环模块输出信号的带内相位噪声,采用该方法,使得参考模块有 着优良的相位噪声性能,能够很好地满足系统的需求。
[0037] 对于三环频率合成器中的加法环和粗调环中环路低通滤波器的改进:入图3和图 4,采用数/模转换器DAC预调谐压控振荡器VC0的方法来
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