基于諧波混頻的微波低相噪鎖相設(shè)計(jì)

摘要：該設(shè)計(jì)通過(guò)諧波混頻的方式實(shí)現(xiàn)常規(guī)分頻式鎖相環(huán)所難以實(shí)現(xiàn)的低相噪指標(biāo)。在理論分析的基礎(chǔ)之上，提出微波低相噪鎖相環(huán)設(shè)計(jì)方案，制定實(shí)際電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)電路的調(diào)試達(dá)到在5．5 GHz頻點(diǎn)輸出-111．30 dBc／Hz@10 kHz的相噪指標(biāo)和-67．33 dBc的雜散指標(biāo)。驗(yàn)證了通過(guò)諧波混頻的方式實(shí)現(xiàn)微波低相噪鎖相的可行性。
關(guān)鍵詞：低相噪；諧波混頻；鎖相源；雜散指標(biāo)

0 引言
眾所周知鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬以內(nèi)的相位噪聲主要由晶體振蕩器經(jīng)過(guò)倍頻惡化后的相位噪聲與鑒相器引入的相位噪聲共同決定。對(duì)于環(huán)路帶寬以外的相位噪聲則主要由VCO的相位噪聲和鑒相器引入的噪聲基底惡化共同決定。也即是PLL對(duì)參考晶體噪聲源呈現(xiàn)低通特性，而對(duì)VCO噪聲呈現(xiàn)高通特性。因此通過(guò)常規(guī)的分頻鎖相方式，由于鑒相器鑒相頻率較高以及噪聲基底的惡化無(wú)法取得較好的相噪指標(biāo)。
本振相位噪聲水平很高的時(shí)候，射頻輸出的相位噪聲與混頻后中頻信號(hào)的相位噪聲基本上一致，這就提供了一種獲得低相噪的解決方式，即通過(guò)諧波混頻的方式降低鑒相器射頻輸入端的頻率，并采用相噪水平很好的本振，基底噪聲不會(huì)進(jìn)一步惡化，這樣系統(tǒng)輸出的相位噪聲由鑒相器的相位噪聲決定。由于將鑒相器的射頻反饋輸入頻率大大降低，使輸出信號(hào)的相位噪聲較之常規(guī)的分頻式鎖相環(huán)得以很大程度上的改善。

1 鎖相源電路設(shè)計(jì)
1．1 電路指標(biāo)
本次微波低相噪鎖相設(shè)計(jì)的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)有：
(1)相位噪聲：-110 dBc／Hz@10 kHz。
(2)工作頻率：5．5 GHz。
(3)雜散水平：小于-60 dBc。
(4)輸出功率：大于0 dBm。
1．2 電路設(shè)計(jì)
鎖相環(huán)的基本組成是由VCO，鑒相器，低通濾波器，參考頻率源等所組成。該設(shè)計(jì)所采用諧波混頻與常規(guī)的分頻式鎖相系統(tǒng)不同，諧波混頻鎖相系統(tǒng)在反饋回路中并未采用一般的分頻器而是采用諧波混頻來(lái)對(duì)反饋的振蕩信號(hào)進(jìn)行處理在反饋給鑒相器的射頻輸入端口。這樣做的目的在于使系統(tǒng)可以通過(guò)混頻的方式取得相噪水平較好的中頻信號(hào)反饋給鑒相器的射頻反饋輸入端實(shí)現(xiàn)鎖相系統(tǒng)輸出的低相噪的信號(hào)，這是分頻式鎖相系統(tǒng)難以達(dá)到的指標(biāo)。其原理框圖如圖1所示。

該電路中鑒相器采用美國(guó)模擬器件公司的ADF4113，環(huán)路濾波器由RC積分濾波器構(gòu)成，VCO的工作頻率在5．5 GHz，這里采用Hittite公司的HMC431LP4。在設(shè)計(jì)中，預(yù)留了一個(gè)輸入和一個(gè)輸出端口，其中一個(gè)作為VCO的反饋信號(hào)送給諧波混頻工作部分的輸出端口，其輸出端口的信號(hào)頻率為5．5 GHz；另一個(gè)端口作為鑒相器反饋輸入信號(hào)端口。5．5 GHz的射頻信號(hào)在諧波混頻工作部分中與本振為1．2 GHz的射頻輸入信號(hào)的四次諧波混頻，最后輸出700 MHz的中頻信號(hào)反饋給鑒相器鑒相，從而得到控制電壓控制VCO的輸出信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)諧波混頻鎖相的功能。
環(huán)路濾波器的輸入端連接著ADF4113集成鑒相器，輸出端連接著壓控振蕩器VCO。濾波器具有低通特性，可以起到低通濾波器的作用，但更重要的是它還對(duì)環(huán)路參數(shù)的調(diào)整起著決定性的作用，從而對(duì)環(huán)路性能產(chǎn)生重要影響。本設(shè)計(jì)采用四階RC積分濾波器，如圖2所示。