一种可变环路带宽频率合成装置、系统及方法与流程

本公开涉及一种频率合成装置，具体涉及一种宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成装置、系统及方法。

背景技术：

模块化仪器朝着小体积高指标的方向飞速发展，由于其小体积，低功耗等优点，模块化仪器的应用越来越广泛，人们对模块化仪器的性能指标提出越来越高的要求，而决定着模块化仪器性能指标的一个关键技术就是小型化频率合成电路的设计，因此人们在设计上不断压缩频率合成电路的体积，提高频率合成电路的性能，因此频率合成器具有频段宽、频率高、低相噪等特点。

目前频率合成技术多种多样，但其基本构成都是一个锁相环电路，锁相环电路是一个相位负反馈的自动控制系统，其能够跟踪相位，实现输出信号与输入信号的同步。现有频率合成技术的核心是混频锁相环电路，该电路的缺点包括以下3个方面：

(1)该电路由多个锁相环和开关电路组成，包括参考信号倍频电路、参考信号锁相环路、宽带信号锁相主环路和滤波放大电路，电路设计复杂功耗高，并且电路体积大需要较大尺寸pcb实现，调试工作量随之加大。

(2)该电路由多个锁相环电路组成，不同环路直接的功率较大信号容易串扰到其他电路中，所以调试时需要贴各种吸波材料和加盖屏蔽盒，存在调试指标困难，调试过程需要反复拆装屏蔽盒，降低调试效率，加大人工成本。

(3)该电路的锁相环的环路带宽固定，其频率抖动、相位噪声和锁定时间等关键指标固定不变的，无法优化相位噪声和锁定时间之间关系，应用场景受限。

综上所述，如何设计一种高性能的单环扫频本振源，通过优化电路、多频段vco拼接、可变环路带宽等方法实现一个小体积，宽频段，高频率，低相噪的频率合成装置，仍是待解决的技术方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成装置、系统及频率合成方法，采用单环锁相，集成度高，稳定性强，调试方便，占用面积小。

本公开所采用的技术方案是：

一种宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成装置，该装置包括：

选择与输出信号频率值相应的vco信号的vco信号选择单元；

将vco信号选择单元输出的vco信号耦合成两路信号，一路信号作为基波信号送入基波信号分频单元和基波信号倍频单元，另一路信号经vco信号分频单元分频后反馈到鉴相器的耦合器；

鉴相器，接收输入参考信号和经vco信号分频单元分频后vco信号进行鉴相，产生两个具有相同频率的信号，将两个同频率信号的相位进行比较，根据相位差线性控制电荷泵输出电流；

将耦合器输出的基波信号分频成频率范围为62.5mhz～250mhz的信号的基波信号分频单元；

将耦合器输出的基波信号倍频成频率范围可达12ghz的基波信号倍频单元；和，

程控衰减器，用于调节基波信号分频单元或基波信号倍频单元输出的信号的功率电平。

进一步的，所述vco信号选择单元包括开关电路ⅰ、开关电路ⅱ以及连接在开关电路ⅰ、开关电路ⅱ之间的三个并联的压控振荡器，通过开关电路ⅰ和开关电路ⅱ控制三个压控振荡器的调谐电压，并选择与输出信号频率值相应的vco信号来进行频率合成。

进一步的，所述vco信号分频单元包括依次连接的放大器ⅰ、开关电路ⅲ、开关电路ⅳ和分频器ⅱ，在开关电路ⅲ和开关电路ⅳ之间还连接有分频器ⅰ，耦合器输出的耦合信号经过放大器ⅰ进行放大后，通过开关电路ⅲ和开关电路ⅳ来选择直通通路和预分频通路，当选择直通通路时，放大后的信号经过分频器ⅱ小数分频后，进入鉴相器进行鉴相；当选择预分频通路时，放大后的信号依次经过分频器ⅰ预分频、分频器ⅱ小数分频后，进入鉴相器进行鉴相。

进一步的，还包括可编程环路带宽滤波器，所述可编程环路带宽滤波器的输入端与鉴相器连接，输出端与vco信号选择单元连接，鉴相器产生的电荷泵电流经过可编程环路带宽滤波器转换为调谐电压送入vco信号选择单元。

进一步的，所述基波信号倍频单元包括依次连接的开关电路ⅴ、放大器ⅱ、倍频器1、带通滤波器和开关电路ⅷ，通过开关电路ⅴ进入倍频通道的基波信号，依次经过放大器ⅱ放大、倍频器1倍频和带通滤波器滤波后，通过开关电路ⅷ输出。

进一步的，所述基波信号分频单元包括依次连接的开关电路ⅴ、放大器ⅲ、可编程分频器、开关电路ⅵ、开关电路ⅶ和开关电路ⅷ，在开关电路ⅶ和开关电路ⅷ之间连接有三个并联连接的低通滤波器，其中一低通滤波器串联有分频器ⅲ；

通过开关电路ⅴ进入分频通道的基波信号，依次经过放大器ⅲ放大、可编程分频器分频后，通过开关电路ⅵ和开关电路ⅶ选择3个滤波器通道和直通通路；当选择直通通道时，可编程分频器产生的分频信号直接通过开关电路ⅷ输出；当选择第一滤波器通道时，可编程分频器产生的分频信号依次经过分频器ⅲ分频、低通滤波器滤波后，通过开关电路ⅷ输出；当选择第二滤波器通道或第三滤波器通道时，可编程分频器产生的分频信号经过低通滤波器滤波后，通过开关电路ⅷ输出。

一种基于如上所述的宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成装置的频率合成方法，该方法包括以下步骤：

耦合器将vco信号选择单元选择的与输出信号频率值相应的vco信号分为两路信号，一路主路信号作为基波信号送入基波信号分频单元和基波信号倍频单元，另一路耦合信号经过放大器ⅰ放大后，依次经过分频器ⅰ预分频、分频器ⅱ小数分频，进入鉴相器进行鉴相；

鉴相器产生的电荷泵电流经过可编程环路带宽滤波器转换为调谐电压送入vco信号选择单元，锁定2～6ghz的基波信号；

2～6ghz的基波信号通过基波信号倍频单元和基波信号分频单元，将频率范围拓展到62.5mhz～12ghz。

一种宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成系统，该系统包括如上所述的可变环路带宽频率合成装置、控制单元和电源单元；

所述控制单元，被配置为控制可变环路带宽频率合成装置，根据设置的频率值计算出需要的输出信号频率值、分频比以及输入参考信号的分频比；

所述电源单元，被配置为给可变环路带宽频率合成装置和控制单元提供所需的电源。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开通过提高鉴相频率和选用低相位噪声、低杂散的鉴相器方式，有效提高了信号的相噪比和杂散；采用单环锁相，集成度高，稳定性强，调试方便，占用pcb面积小；

(2)本公开选用了三个频率可衔接的vco，通过四选一开关来选择不同的vco来参加频率合成，再通过后级的可编程分频和倍频电路，极大的拓宽了频率合成的输出本振信号的范围，其频率范围可达到62.5mhz-12ghz；

(3)本公开的鉴相器采用了24位小数调制器，能够产生足够小的步进量，最小频率步进小于1hz；

(4)本公开的可编程环路带宽滤波器由运算放大器结合低阻抗多路复用器组成的反馈网络组成，形成最高8档不同环路带宽滤波器，调节不同使用场景下频率锁定时间和相位噪声指标。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是现有的基于vco的传统锁相环的结构图；

图2是现有的基于vco的混频锁相环的结构图；

图3是本公开的可变环路带宽频率合成装置的结构图；

图4是本公开的可变环路带宽频率合成系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现有的频率合成技术基本构成都是一个锁相环电路。如图1所示，现有的基于vco的传统锁相环由分频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器四部分组成。其基本工作原理是：压控振荡器(vco)功分成两路，一路作为信号输出，一路作为反馈信号，该反馈信号经过分频器分频后输出鉴相器(pd)，通过比较输入参考信号与压控振荡器(vco)输出信号之间的相位差，产生一个正比于信号相位差的误差电压u(t)，该误差电压经过环路滤波器(lpf)滤波(也可能包括放大)之后加到vco的调谐端，从而调整压控振荡器的频率和相位，使输入信号与vco信号之间的相差减小，最后达到动态锁定。

如图2所示，宽带频率信号为了降低输出信号的相位噪声，不能有太高的分频比，所以现有的基于vco的混频锁相环采用vco的反馈信号与高频参考信号进行混频产生中频信号，该中频信号通过低通滤波和功率放大，送至鉴相器，与分频后的参考信号进行鉴相，再进过环路滤波，最终送至vco锁定。输入混频器的参考信号可以是很小步进量的高纯度信号，这样既拓宽输出信号的频率范围，又提高了信号的精度，参考信号也需要引入一个锁相环进行锁定。

以上两种电路存在电路设计复杂功耗高，并且电路体积大需要较大尺寸pcb实现，调试工作量随之加大，调试过程需要反复拆装屏蔽盒，降低调试效率，加大人工成本，由于锁相环的环路带宽固定，无法优化相位噪声和锁定时间之间关系，应用场景受限。

为了解决上述的技术问题，本公开提供一种宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成装置、系统及方法，能够产生高稳定的扫频本振源，该合成装置集成度高，稳定性强，调试方便。

本实施例提供一种宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成装置，如图3所示，所述可变环路带宽频率合成装置包括鉴相器2、vco信号选择单元、耦合器9、vco信号分频单元、基波信号分频单元、基波信号倍频单元和程控衰减器29。

具体地，所述鉴相器2的输入端接收输入参考信号1，所述鉴相器的反馈端连接vco信号分频单元的输出端，所述鉴相器2的输出端连接电荷泵；所述鉴相器2接收输入参考信号1和经过vco信号分频单元分频后的vco信号，产生两个具有相同频率的信号，并对两个同频率信号进行相位比较，根据相位差线性控制电荷泵输出电流。

在本实施例中，所述输入参考信号1为120mhz参考时钟，可以由外部时钟输入，也可以由内部电路产生，该时钟信号的特点是相位噪声低、杂散少，为锁相环提供纯度高频率稳定的参考时钟。

所述可编程环路带宽滤波器3的输入端与鉴相器连接，输出端与开关电路ⅰ4连接，鉴相器2产生的电荷泵电流经过可编程环路带宽滤波器转换为调谐电压送入vco信号选择单元。

在本实施例中，所述可编程环路带宽滤波器3由运算放大器结合低阻抗多路复用器组成的反馈网络组成，形成最高8档不同环路带宽滤波器，调节不同使用场景下频率锁定时间和相位噪声指标，最终转换为调谐电压送入vco信号选择单元。

所述vco信号选择单元，被配置为根据输出信号频率值选择不同的vco信号来参加频率合成，达到拓宽频率范围的目的。

在本实施例中，所述vco信号选择单元包括开关电路ⅰ4、压控振荡器vcoⅰ5、压控振荡器vcoⅱ6、压控振荡器vcoⅲ7和开关电路ⅱ8，在开关电路ⅰ4和开关电路ⅱ8之间连接有三个并联连接的压控振荡器，通过开关电路ⅰ4和开关电路ⅱ8控制三个压控振荡器的调谐电压，选择与输出信号频率值相应的vco信号来进行频率合成。

在本实施例中，开关电路ⅰ4和开关电路ⅱ8用来选择不同的vco信号来进行锁相，它是通过控制三个vco压控振荡器的调谐电压实现选择功能，开关电路的隔离度要足够高，保证输出信号的纯正性；vcoⅰ5、vcoⅱ6、vcoⅲ7三个压控振荡器的输出频率不同，两者结合在一起的覆盖范围可以达到2～6ghz，通过开关电路ⅰ4和开关电路ⅱ8选择不同的vco信号来参加频率合成，达到拓宽频率范围的目的。

所述耦合器9的输入端与vco信号选择单元的输出端连接，接收vco信号选择单元输出的vco信号，采用微带线耦合的方式对vco信号进行耦合，输出两路信号，一路主信号作为基波信号送入后端的基波信号分频单元和基波信号倍频单元，另外一路耦合后vco信号经过vco信号分频单元分频后反馈到鉴相器用于锁相。

所述vco信号分频单元，被配置为对耦合后vco信号进行分频，将分频后的vco信号送入鉴相器。

在本实施例中，所述vco信号分频单元包括放大器ⅰ10、开关电路ⅲ11、分频器ⅰ12、开关电路ⅳ13和分频器ⅱ14，所述放大器ⅰ10、开关电路ⅲ11、开关电路ⅳ13和分频器ⅱ14依次串联连接，在开关电路ⅲ11和开关电路ⅳ13之间连接有分频器ⅰ12，所述放大器10用于将耦合后vco信号功率放大到鉴相器所需的功率电平，所述开关电路ⅲ11和开关电路ⅳ13用来选择直通通路和除2预分频通路，当选择直通通路时，经放大器放大后的vco信号直接送入分频器14；当选择除2预分频通路时，经放大器放大后的vco信号经过分频器ⅰ12预分频后送入分频器ⅱ14；所述分频器ⅱ14具有24位小数调制器，用于对输入的vco信号进行小数分频，产生频率误差为0且通道杂散极低的小数频率送入鉴相器。

所述基波信号倍频单元，被配置为对输入的基波信号进行倍频。

在本实施例中，所述基波信号倍频单元包括依次连接的开关电路ⅴ15、放大器ⅱ16、倍频器17、带通滤波器18和开关电路ⅷ27，所述开关电路15和开关电路27用于选择倍频通道和分频通道，将倍频和分频后的信号合成一路输出；所述放大器ⅱ16用于对2～6ghz基波信号的功率进行放大，补偿后端滤波和开关网络的功率损耗；所述倍频器17用于将经过放大器ⅱ16放大后的2～6ghz基波信号进行2倍频，将频率扩展到12ghz倍频信号；所述带通滤波器18，用于滤除倍频信号的谐波和分谐波，提高信号质量。

所述基波信号分频单元，被配置为对输入的基波信号进行分频。

在本实施例中，所述基波信号分频单元包括依次连接的开关电路ⅴ15、放大器ⅲ19、可编程分频器20、开关电路ⅵ21、开关电路ⅶ26和开关电路ⅷ27，所述开关电路ⅶ26和开关电路ⅷ27之间连接有三个并联连接的低通滤波器ⅰ23、低通滤波器ⅱ24和低通滤波器ⅲ25，所述低通滤波器ⅰ23串联有分频器ⅲ22；所述开关电路15和开关电路27用于选择倍频通道和分频通道，将倍频和分频后的信号合成一路输出；所述放大器ⅲ19用于对2～6ghz基波信号的功率进行放大，补偿后端滤波和开关网络的功率损耗；所述可编程分频器20用于对2～6ghz基波信号进行2分频、4分频和8分频，产生250mhz～2ghz的分频信号，拓展频率合成装置的频率下限；所述开关电路ⅵ21和开关电路ⅶ26用于选择3个滤波器通道和直通通路，当选择直通通道时，将可编程分频器产生的分频信号直接送入开关电路ⅷ27，当选择滤波器通道时，将分频信号的频率进行分段滤波，通过低通滤波器ⅰ23、低通滤波器ⅱ24和低通滤波器ⅲ25滤除分频后的信号谐波，提高信号质量；所述分频器ⅲ22，用于将250mhz～1ghz的分频信号进行4分频，产生62.5mhz～250mhz的信号，进一步拓展频率合成装置的频率下限。

所述程控衰减器29通过放大器ⅳ28与开关电路ⅷ27的输出端连接，通过放大器28将开关电路ⅷ27输出的信号的功率电平进行放大，进一步提高频率合成装置的输出功率电平；所述程控衰减器29用于调节经过放大器28放大后的信号的功率电平，进而调节频率合成装置输出功率电平。

本实施例提出的可变环路带宽频率合成装置的工作过程为：

通过vco信号选择单元选择与输出信号频率值相应的vco信号来参加频率合成，vco信号选择单元输出的vco信号经过耦合器9后分为两路，主路信号作为基波信号送入后端基波信号分频单元和基波信号倍频单元，耦合信号经过放大器ⅰ10进行放大，然后依次经过分频器ⅰ12预分频、分频器ⅱ14小数分频，进入鉴相器2进行鉴相，鉴相器产生的电荷泵电流经过可编程环路带宽滤波器，模拟8档不同环路带宽滤波器，调节不同使用场景下频率锁定时间和相位噪声指标，最终转换为调谐电压送入vco信号选择单元，锁定所需的频率的基波信号；锁定的2～6ghz的基波信号通过基波信号倍频单元和基波信号分频单元，将频率范围拓展到62.5mhz～12ghz，每段倍频和分频信号通过开关网络进行放大、滤波和衰减，抑制谐波和分谐波，提高信号质量，并且输出频率信号功率可控制。

本实施例提供的可变环路带宽频率合成装置，通过提高鉴相频率和选用低相位噪声、低杂散的鉴相器方式，有效提高了信号的相噪比和杂散指标；该装置选用了三个频率可衔接的压控振荡器，通过四选一开关来选择不同的vco来参加频率合成，再通过后级的可编程分频和倍频电路，极大的拓宽了频率合成的输出本振信号的范围，其频率范围可达到62.5mhz---12ghz；鉴相器采用了24位小数调制器，能够产生足够小的步进量，最小频率步进小于1hz。另外，该频率合成装置具有频率调制、相位调制和信号扫描等功能。

本实施例中，整个频率合成装置由1块45mm×120mm的多层微波pcb电路板实现，其电路结构紧凑，设计方法新颖，性能指标优异，具有便于调试、成本低、应用场景广泛等优点。由于电路中的信号频率高达12ghz，为了信号传输损耗，整个电路板采用了微波印制板材料，并且对印制板板材参数、叠层和元器件进行了联合仿真设计，对耦合器和滤波器进行了优化设计，在pcb板上实现出整个微波部分的电路。由于频率合成装置集成度高，结构紧凑，为了防止信号间的串扰，每个功能单元间采用接地屏蔽条进行隔断，并且加盖屏蔽盒实现了整个结构的密封，既有效隔离了电磁信号的空间辐射，又方便了射频信号的就近充分接地，避免了微波信号在屏蔽盒内部的相互干扰。整板采用小型化、低功耗元器件，所有器件高度不超过2mm，极大的压缩了装置体积。

本实施例还提供一种宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成系统，如图4所示，包括如上所述的可变环路带宽频率合成装置、控制单元和电源模块。

所述控制单元，被配置为控制可变环路带宽频率合成装置，根据设置的频率值计算出需要的输出信号频率值、分频比以及输入参考信号1的分频比。

所述电源模块，用于给可变环路带宽频率合成装置和控制单元提供所需的电源。

本实施例提出的宽带低相位噪声的可变环路带宽频率合成系统的工作流程为：

首先接通电源，控制单元30根据设置的频率值计算出需要的输出信号频率值和分频比以及参考信号1的分频比，等参考信号1频率稳定之后，再由输出信号频率值选择相应的vco来参加频率合成，并设置好开关选择相应通路，开始可变环路带宽频率合成装置的频率合成工作。

通过vco信号选择单元选择与输出信号频率值相应的vco信号来参加频率合成，vco信号选择单元输出的vco信号经过耦合器9后分为两路，主路信号作为基波信号送入后端基波信号分频单元和基波信号倍频单元，耦合信号经过放大器ⅰ10进行放大，然后依次经过分频器ⅰ12预分频、分频器ⅱ14小数分频，进入鉴相器2进行鉴相，鉴相器产生的电荷泵电流经过可编程环路带宽滤波器，模拟8档不同环路带宽滤波器，调节不同使用场景下频率锁定时间和相位噪声指标，最终转换为调谐电压送入vco信号选择单元，锁定所需的频率的基波信号；锁定的2～6ghz的基波信号通过基波信号倍频单元和基波信号分频单元，将频率范围拓展到62.5mhz～12ghz，每段倍频和分频信号通过开关网络进行放大、滤波和衰减，抑制谐波和分谐波，提高信号质量，并且输出频率信号功率可控制。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)本公开通过提高鉴相频率和选用低相位噪声、低杂散的鉴相器方式，有效提高了信号的相噪比和杂散；采用单环锁相，集成度高，稳定性强，调试方便，占用pcb面积小；

(2)本公开选用了三个频率可衔接的vco，通过四选一开关来选择不同的vco来参加频率合成，再通过后级的可编程分频和倍频电路，极大的拓宽了频率合成的输出本振信号的范围，其频率范围可达到62.5mhz---12ghz；

(3)本公开的鉴相器采用了24位小数调制器，能够产生足够小的步进量，最小频率步进小于1hz。

(4)本公开的可编程环路带宽滤波器由运算放大器结合低阻抗多路复用器组成的反馈网络组成，形成最高8档不同环路带宽滤波器，调节不同使用场景下频率锁定时间和相位噪声指标。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。