低相位噪聲在微波源中的研究

1 引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各種微波設(shè)備對(duì)振蕩信號(hào)的相位噪聲要求越來(lái)越高。目前在微波振蕩源中廣泛采用的倍頻鏈方式，因需要多次倍頻、放大、濾波而必須采用較多的有源器件從而產(chǎn)生了較大的附加噪聲。對(duì)微波振蕩源的相位噪聲有較大的影響。2856MHz微波源同時(shí)利用了脈沖倍頻鎖相環(huán)和介質(zhì)振蕩器兩項(xiàng)技術(shù)，有效的提高了微波振蕩源的相位噪聲，同時(shí)具有諧波低、體積小、功耗小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)?？捎糜谛l(wèi)星通信、雷達(dá)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等對(duì)相位噪聲要求較高的場(chǎng)合。

2 相位噪聲的定義與測(cè)量[1]

相位噪聲是用來(lái)表征一個(gè)微波源的短期頻率穩(wěn)定度。相位噪聲的概念可通過(guò)圖1來(lái)說(shuō)明。

圖1 相位噪聲概念的說(shuō)明

當(dāng)一個(gè)理想的單頻正弦波振蕩頻率源ƒ0很穩(wěn)定時(shí)，其時(shí)域信號(hào)波形相位過(guò)零點(diǎn)的位置在短期內(nèi)（通常指1秒內(nèi)）應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定不變的，如圖中（a）所示。對(duì)應(yīng)的在頻域中的頻譜應(yīng)是一條譜線ƒ0，如圖中（c）所示。但是當(dāng)因噪聲等隨機(jī)因素引起頻率不穩(wěn)定時(shí)，時(shí)域中相位過(guò)零點(diǎn)位置會(huì)抖動(dòng)，稱(chēng)為噪聲對(duì)相位的寄生調(diào)制，如圖中（b）所示。相位變化則頻率也會(huì)發(fā)生變化，在頻域中對(duì)應(yīng)的頻譜不是ƒ0一條譜線了，而是如圖中（d）所示擴(kuò)散為一個(gè)連續(xù)頻譜。譜線從ƒ0向兩邊擴(kuò)展范圍的寬窄與頻率穩(wěn)定度相關(guān)。頻率穩(wěn)定度越好，則擴(kuò)展越窄，譜值變化越陡。因此在頻域可用相位噪聲大小來(lái)表征短期頻率穩(wěn)定度。在實(shí)際測(cè)量中，由于相位噪聲頻譜特性是對(duì)稱(chēng)的，常用單邊帶SSB（Single Side Band）相位噪聲來(lái)表征短期頻率穩(wěn)定度。SSB相位噪聲L（ƒ）定義為：偏離頻率源ƒo為ƒoff處，每赫茲帶寬的單邊帶功率PSSB與頻率源功率P0 之比，通常用dB表示，圖2為其示意圖。

圖2 SSB相位噪聲示意圖

3 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)的2856MHz微波源主要電特性指標(biāo)：

輸出信號(hào)頻率：2856MHz；
信號(hào)輸出功率：
1端口、2端口輸出功率≥100mW(20dBm),
3端口、4端口輸出功率≥20mW(13dBm)；
輸出信號(hào)頻率準(zhǔn)確度：≤±50KHz；
輸出信號(hào)相位噪聲：≤-105dBc/Hz@20KHz；
諧雜波抑制：≥50dBc；
放大器帶寬：≥4MHz；
路間隔離度：≥40dBc。

4 設(shè)計(jì)方案[1-6]

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)多種方案比較，最后采用了鎖相介質(zhì)振蕩器電路的方案。其組成主要由參考源、PDRO（鎖相介質(zhì)振蕩器）、1:4功分放大和電源四部分構(gòu)成，如圖3。工作原理，參考源產(chǎn)生的102MHz信號(hào)與PDRO中介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生的微波信號(hào)取樣鎖相使PDRO輸出信號(hào)鎖定在2856MHz。PDRO輸出的信號(hào)經(jīng)1：4功分放大輸出。

圖 3 電路框圖

4.1 介質(zhì)振蕩器

介質(zhì)振蕩器是用低損耗、高介電常數(shù)的介質(zhì)材料做成的諧振器，介質(zhì)與微帶線耦合，組成一個(gè)高Q值的諧振電路,具有尖銳的頻率選擇特性。同時(shí)在介質(zhì)振蕩器的帶寬很窄（被設(shè)計(jì)為0.3%~0.5%）在其壓控范圍內(nèi)只有一個(gè)頻點(diǎn)是參考源頻率的整倍數(shù)，介質(zhì)振蕩器只能鎖定在設(shè)計(jì)的頻點(diǎn)上。所以介質(zhì)振蕩器的相位噪聲優(yōu)于其它形式的振蕩器。介質(zhì)振蕩器具有體積小、Q值高、頻率范圍大（可達(dá)毫米波段）、在高低溫下頻率的穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在微波電路中得到廣泛的應(yīng)用。 PDRO（鎖相介質(zhì)振蕩器）的原理如圖4。

圖 4 PDRO 原理圖

AMP(微波放大單元)，VCC（+12電源）,REFMON（參考頻率）

4.2 脈沖倍頻鎖相環(huán)電路

脈沖倍頻鎖相環(huán)電路的工作原理如圖5，工作過(guò)程是102MHz參考源經(jīng)過(guò)脈沖形成電路，產(chǎn)生一個(gè)102MHz整數(shù)倍諧波的尖脈沖序列。在鑒相器中VCO頻率2856MHz和102MHz的28倍諧波進(jìn)行比相，通過(guò)鎖相環(huán)路將VCO的頻率鎖定在2856MHz上。與倍頻鏈技術(shù)相比脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)中采用了取樣鑒相器在取樣脈沖尖峰時(shí)對(duì)VCO輸出的高頻信號(hào)進(jìn)行取樣，得到的控制用信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器濾除高頻分量后，經(jīng)運(yùn)算放大器放大輸出直流信號(hào)控制VCO的輸出信號(hào)頻率，從而使VCO輸出頻率直接鎖定在參考頻率的高次諧波上。與數(shù)字分頻鎖相技術(shù)相比消除了數(shù)字分頻噪聲基底的影響，相位噪聲明顯優(yōu)于數(shù)字分頻鎖相，是相位噪聲接近理論值。

圖5 脈沖倍頻鎖相環(huán)電路的工作原理

5 相位噪聲實(shí)際測(cè)量與分析

在實(shí)際測(cè)量中采用Agilent公司的4440E頻譜儀。在單邊帶相位噪聲測(cè)量中，由于頻譜儀通常使用功率電平（單位dBm）進(jìn)行，這樣根據(jù)公式（1.1）進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)形式：

式（1）中L（ƒ0）代表頻率源功率電平，L（ƒoff）代表的是頻偏ƒoff處歸一化到1Hz等效噪聲帶寬內(nèi)使用有效值檢波器獲得的噪聲功率電平。測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7，微波源的相位噪聲如下：
-105 dBc/Hz@1KHz；
-110 dBc/Hz@10KHz；
-110 dBc/Hz@20KHz；
-113 dBc/Hz@100KHz；
-135 dBc/Hz@1MHz；

雜波抑制：-80 dBc

輸出頻率：2856MHz

輸出功率：
1端口、2端口輸出功率≥100mW(20dBm)；
3端口、4端口輸出功率≥20mW(13dBm)。

　　從中可以看出由于在微波源中采用了介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)，相位噪聲滿足用戶要求。表明在微波振蕩源中采用介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)可以取得比倍頻鏈方式更優(yōu)越的相位噪聲性能。

圖6 信號(hào)頻譜

圖7 單邊帶相位噪聲

6 結(jié)論

微波頻率源是現(xiàn)代微波系統(tǒng)中最重要的核心部件之一，有微波系統(tǒng)的“心臟”之稱(chēng)。在微波源的各項(xiàng)參數(shù)中相位噪聲尤其重要，微波源的相位噪聲決定了整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲。2856MHz微波源采用了介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)，取得預(yù)計(jì)的性能指標(biāo)。同時(shí)對(duì)降低微波源的相位噪聲方面作了研究，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了滿意的效果，本文中闡述的用介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)的組合制造低相噪微波源的方法不僅適用于本課題，由于介質(zhì)振蕩器適用于從L波段到毫米波段，所以對(duì)于不同頻段的微波振蕩器我們均能取得較為滿意的低相位噪聲性能。并且能在提高設(shè)備相位噪聲性能的同時(shí)可以提高可靠性和穩(wěn)定性。