一种基于倍频技术的低相噪X波段频率源设计

肖 恒

(中国电子科技集团公司13所第17专业部，河北石家庄 050051)

频率源在现代微波通信系统中有着广泛的应用，做为微波收发信机的重要组成部分，其指标直接影响整个通信系统的性能［1］。频率源从构成原理上可分为3 类［2－3］:直接频率合成(Direct Frequency Synthesis，DFS)、锁相环(Phase Lock Loop，PLL)和直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)。

直接频率合成是指采用一个或多个参考频率源，再综合运用混频、倍频、分频及开关滤波等技术来产生所需的频率。相对于其他两种技术，直接频率合成方法构成的频率源一般电路结构较为复杂，成本较高，但在频率捷变速度和相位噪声性能方面具有其他两种方法无法比拟的优点［4］。

在直接数字频率合成技术中，倍频是指使激励信号通过非线性器件，通过器件的非线性来产生激励信号的各次谐波方法。倍频是获得高频率、高稳定度和低相噪频率源的重要手段。本文介绍了一种基于倍频技术的X波段频率源的研制方法，其产生的信号具有良好的相位噪声性能。

1 设计原理和构成方案

倍频器的典型原理框图如图1所示。正弦波激励非线性器件会产生基波信号和丰富的谐波信号，所需的谐波分量通过滤波器选出。

图1 倍频器原理框图

激励源产生的基波信号为vi(t)=Vicosωt，输出信号vo(t)为基波的n次谐波，将非线性器件的伏安特性在其工作点处用幂级数展开，则有［5］

其中，cosωt，cos2ωt，cos3ωt…cosnωt即为输出信号的1 次，2 次，3 次…和 n 次谐波分量，系数 a1，a2，a3，…，an与器件的工作点有关。

在实际电路设计中，一般会在所选用的非线性器件输出端添加调谐网络来优化电路，有效地集中频谱能量，使需要的谐波分量幅值最大化，并尽可能的抑制基波和无需谐波分量。

倍频电路按构成的非线性器件分类，一般可分为变容二极管倍频、阶跃二极管倍频、双极晶体管(BJT)倍频和场效应管(FET)倍频。其中变容二极管和阶跃二极管都利用了器件的非线性容抗［6－7］，而BJT倍频和FET倍频则利用了器件的非线性电阻，与二极管倍频相比，BJT倍频和FET倍频具有频带宽、功耗小，并对低阶谐波还具有功率增益［8］。

本方案采用BJT和FET倍频技术，将参考激励源的输出频率为f0的信号经过逐级倍频和功率放大，最终获得频率为100f0的X波段信号。

图2 频率源原理框图

频率源的激励信号由晶振提供，激励信号依次经过二倍频、五倍频、五倍频、二倍频，最终经放大器放大到合适的电平输出。信号每次倍频后均采用滤波器选取需要二次或五次谐波，并抑制基波和其他无需谐波分量。依次倍频得到100f0后的谐波分量后，经过一级放大器放大到要求的电平后输出。

2 频率源的低相噪设计

相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下引起的输出信号的相位随机起伏，用来表征信号的短期稳定度［9］。本方案的输出信号由晶振经100次倍频得到，其相位噪声指标主要取决于两个方面:晶振输出信号的相位噪声与晶振信号经过倍频链后的相位噪声的恶化。在频率源低相噪性能的设计上，本方案在激励源和倍频链路上针对相位噪声都进行了优化设计。

首先，激励源采用了低相噪、高稳定度的恒温晶振(OCXO)。晶体振荡器按器件的频率温度特性可分为:通用晶体振荡器(XO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)和恒温控制晶体振荡器(OCXO)。XO因未采取改善晶体频率温度特性的措施，晶体本身的温度变化会成为影响输出信号相位噪声的主要因素，一般较少应用于高相噪要求的电路中。TCXO用温度传感器产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上，用以补偿晶体的温度特性。OCXO将晶体和其它温度敏感元器件均装在恒温槽中，恒温槽被调整到晶体的拐点温度上［10］。一般而言，OCXO电路复杂、功耗大，但OCXO具有优秀的相位噪声性能，较之TCXO和OCXO的相位噪声要低10～20 dB。

方案选用的晶振为恒温晶振，其相噪指标为－130 dBc@100 Hz，－144 dBc@1 kHz和 －152 dBc@10 kHz，有效保证了频率源输出信号的低相噪性能。其次，改善晶振信号经过倍频链后产生的相噪恶化，即尽量减少倍频器引起的附加噪声。由倍频原理可知，信号经过N倍频后，相位噪声将提高20lgN dB，本方案中N=100，故倍频后相噪恶化的理论值应为40 dB。

本方案采用了BJT和FET用做倍频器件。在倍频器件的选择上，优先考虑了器件的低噪声性能，同时在倍频电路匹配设计时注意噪声性能和增益性能的折衷，使倍频器件本身的噪声不对倍频后的相位噪声造成显著的影响。

3 倍频的具体电路设计

由于在低频段，BJT器件的增益和倍频效率要优于FET器件，因此在倍频电路的选择上，第一次二倍频选用了BJT做为倍频器件，其余的高频段3次倍频均采用了FET做为倍频器件。

BJT二次倍频电路如图3所示。倍频采用的BJT器件1Q01为AVAGO的AT－42035，该器件在低频段具有很高的增益和较好的噪声系数。器件输入端的电阻衰减网络做为倍频电路的输入匹配。适当电平的输入信号f0经衰减网络进入AT－42035后产生谐波信号，若直接在器件输出端接入带通滤波器(BPF)，即可获得较为纯净的二次谐波信号2f0，但由于器件倍频产生基波f0的幅值较2f0高，较多的能量集中在f0上，二倍频的效率较低。

图3 BJT倍频电路

为提高效率，在AT－42035与带通滤波器增加了电感L01、电容C04和电容C05来构成谐振网络。谐振网络对倍频电路进行调谐，使能量向二次谐波集中。在实际工程研制过程中应该注意谐振网络的设计，3个电抗元件的取值不当，不但容易造成晶体管与滤波器之间的失配从而引起晶体管自激，同时对倍频后信号的远端相噪也会造成不同程度的恶化，因此在设计时要对元件取值进行仿真优化，并在实际电路调试中给予充分的重视。

FET倍频电路与BJT倍频电路类似，关键点同样在于输出调谐网络的选取与优化。两者的不同点在于调谐网络的拓扑结构，并且高频下一般选用微带线构成电容、电感元件来替代集总元件，以达到减少寄生参数的目的。

图4中FET倍频电路为本方案中最后一次二倍频电路，将信号从C波段倍频到X波段。FET器件Q01选用了Fujitsu的FHX35LG。该器件为高电子迁移率场效应管(HEMT)，在X波段具有良好的增益和噪声性能。FHX35LG采用自偏压的工作方式，器件输入和输出的馈电电感L02、L03采用1/4波长高阻线构成，输入端的电容C01、C02和电感L02构成匹配网络，输出端的电容C03、C05和电感L45构成谐振网络，以上感容元件在实现方式上都采用了微带形式。

图4 场效应管倍频电路

信号经谐振网络后，频谱能量已大部集中到所需的谐波分量，为得到更纯净的频谱，谐振网络后增加了带通滤波器。带通滤波器采用了6阶发夹线滤波器，滤除基波和除二次谐波外的其他谐波分量。

图5 滤波器电路版图

4 结束语

本文利用器件的非线性特性来产生谐波进行倍频的原理，分别采用BJT和FET器件构成倍频电路，并对电路进行了优化和调试，最终完成了一种低相噪X波段频率源的设计和研制。

完成的频率源输出信号的频谱和相位噪声分别如图5和图6所示，其最终相位噪声指标为－87 dBc@100 Hz，－102 dBc@1 kHz和 －110 dBc@10 kHz。与晶振的激励信号相比，相位噪声恶化了约42 dB，较之40 dB的理论值，几乎未增加附加噪声。同时，由于本方案中的倍频电路和滤波器在设计时均保留了一定的带宽，通过对晶振激励信号的频率进行调制，频率源输出信号可在300 MHz的带宽内保持固定的相位噪声和良好的功率一致性，即可实现X波段宽带调制频率源的功能。

图6 输出信号频谱(SPAN=500 MHz)

图7 输出信号相噪曲线

［1］ 弋稳．雷达接收机技术［M］．北京:电子工业出版社，2004．

［2］ 高树廷，高峰，徐盛旺，等．合成频率源工程分析与设计［M］．北京:兵器工业出版社，2008．

［3］ 万天才．频率合成器技术发展动态［J］．微电子学，2004，34(4):366－370．

［4］ Galani Z，Campbell R．An overview of frequency synthesizers for radars［J］．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1991，39(5):782 －790．

［5］ 陈邦缓．射频通信电路［M］．北京:科学出版社，2002．

［6］ 清华大学《微带电路》编写组．微带电路［M］．北京:清华大学出版社，1976．

［7］ 杜武林．高频电路原理与分析［M］．西安:西安电子科技大学出版社，1986．

［8］ 薛正辉，杨仕明，李伟明，等．微波固态电路［M］．北京:北京理工大学出版社，2004．

［9］ Reinhold Ludwig，Gene Bogdanov．RF circuit design:theory and applications，second edition［M］．New Jersey:Prentice Hall Inc，2008．

［10］伍晓芳．小型高稳恒温晶体振荡器的研制［D］．武汉:华中科技大学，2004．