一种超低相位噪声宽带频率合成器的设计

张大鹤，李青平

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



一种超低相位噪声宽带频率合成器的设计

张大鹤，李青平

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要基于对双环频率预置技术和谐波混频技术的理论分析，将混频锁相合成方式与高次倍频合成方式相结合，采用鉴相极性可变的非常规设计，提出一种宽带小步进超低相位噪声频率合成器的低成本实现方案，并对合成器的相位噪声和杂散抑制指标进行了理论分析。试验证明，在8 GHz输出频率下，方案实现了低于-132 dBc/Hz@10 kHz的相位噪声和70 dB以上的杂散抑制性能。对宽带超低相位噪声频率合成器的设计具有借鉴意义。

关键词频率合成；相位噪声；频率预置；谐波混频

Design on Ultra Low Phase Noise Wideband Frequency Synthesizer

ZHANG Da-he，LI Qing-ping

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China)

AbstractBased on theoretical analysis on double-loop presetting technology and harmonic frequency mixing，combining the frequency mixing PLL synthesizing method with high-order frequency multiplication synthesizing method，a detailed low-cost scheme of wideband fine-resolution frequency synthesizer with ultra low phase noise is proposed by using unconventional design of variable phase detect polarity.The theoretical analysis on phase noise and spur rejection specifications of this scheme is performed.The experiment results show that this scheme realizes phase noise lower than -132 dBc/Hz@10 kHz，and spur rejection more than 70 dB at 8 GHz output.The method can provide some reference for design on wideband frequency synthesizer with ultra low phase noise.

Key wordsfrequency synthesis;phase noise;frequency presetting;harmonic frequency mixing

0引言

相位噪声是频率合成器的一个极为重要的指标，降低相位噪声是频率合成器的主要设计任务[1]。

随着相位噪声指标要求的提高，锁相单环和常规的锁相混频环都远远不能满足相噪要求。直接合成的方式在相位噪声指标方面有明显优势，但是电路极为复杂，一般不适合工程应用[2]。以往有些采用锁相混频环的设计[3]中，大步进信号是由参考信号高次倍频后，窄带滤波获得，这样可以获得较好的相位噪声，但成本和体积较大。

宽带频率合成器具有较好的通用性。特别是带宽达到一个倍频程后，可以通过分频的方式实现很宽频率范围内的连续覆盖，通用性更高。

经过理论分析和仿真设计，提出了基于双环频率预置、谐波混频技术[4]的低相位噪声宽带频率合成方案。运用这种方案实现的频率合成器，经过测试，相位噪声指标与理论值基本一致。

1设计方案

根据工程应用需求，考虑设计实现低相噪、低杂散、小步进的宽带频率合成器，工作频率4~8 GHz，相位噪声≤-130 dBc/Hz@10 kHz；杂散抑制≥70 dB，频率步进≤1 Hz。

由于相噪目标非常高，设计难度很大，传统方案难以实现。本设计方案汇集了锁相合成与直接合成的优点，采用了双混频环结合高次倍频的混合合成的方式，以及鉴相极性可变的非常规设计，保证了相噪指标。

合成器的工作原理如图1所示。虽然使用窄带VCO组可以实现更好的相位噪声指标，但为了控制成本，2只VCO都选用宽带的型号。

为了降低相位噪声，2个混频环都采用鉴相极性可变的设计。经过预置，整个频段内有1/4的频段由VCO1直接输出，此时VCO2可以断电。其余3/4的频段由开关切换到VCO2输出，在VCO1输出的频率基础上搬移100 MHz或200 MHz来实现。下面以输出4 000～4 400 MHz信号为例，工作原理如表1所示。

图1　合成器工作原理

频率起点/MHz频率终点/MHz实现方式40004050A频段-100MHz40504100B频段-200MHz41004150VCO1输出(记为A频段)41504200B频段-100MHz42004250A频段+100MHz42504300VCO1输出(记为B频段)43004350A频段+200MHz43504400B频段+100MHz

合成器的频率步进取决于单片频率源，本方案实现步进<1 Hz。

2关键技术分析

2.1双环频率预置技术

当合成器为宽带输出时，如果使用混频环，就必须使用频率预置的方法，将VCO的输出频率预置在需要的频率附近，以免造成错锁、失锁等问题。

频率预置电路可以使用多种方法实现，如D/A预置[5]、扫频等[6]。但很多预置方式对相位噪声都有一定影响，尤其当合成器的相位噪声很低时更为明显。本次设计中采用了双鉴相器切换的双环频率预置方式，其中预置环在频率预置完成后就不再工作，其相位噪声可不做考虑。预置原理如图2所示。

图2中，2个鉴相器均为电荷泵鉴相器，其输出的控制信号通过同一个开关进行切换。2个环路中，上方环路为预置环，可以实现自锁定。工作时开关先设置为第1鉴相器控制导通，预置环先锁定到所需频率，之后控制电路将开关切换到第2鉴相器控制导通，此时下方环路已进入快速捕捉带，可迅速锁定。

图2　双环频率预置方式原理

由于第1鉴相器可使用小数分频鉴相器，这种预置方式具有很高的预置精度。由于增加开关基本不引入额外的噪声，该预置方式可以实现较高的相位噪声指标。

2.2低相噪倍频电路设计

超低相噪合成器中，参考源的相位噪声已不可忽视。目前用作参考源的恒温晶振的相位噪声最高指标大约为-180 dBc/Hz@10 kHz。该指标虽然已满足当前超低相噪合成器的需要，但是如果处理不当会大幅恶化该指标。因此倍频过程采用2次2倍频、2次信号放大，选用低噪声放大器，尽可能提高信号电平、降低噪声系数。

2.3谐波混频技术

谐波混频合成器的基本思想是使用一个较低频率的激励信号，通过谐波发生器、混频器与较高频率的信号进行混频，混频输出信号经过低通滤波后，得到频率较低的信号，供锁相使用[4]。

以400 MHz的各次谐波信号与4 110 MHz的VCO信号进行混频为例，混频后中频输出的频谱如图3所示。

图3　混频后输出的中频频谱

中频输出经低通滤波后即可得到所需的110 MHz信号，供锁相使用。

本方案中，VCO频率可以位于临近谐波的两侧，所以对于中频输出，正谱和反谱都有可能，鉴相器的鉴相极性需相应改变。这种灵活的设计方式有助于提高部分频率范围内的相噪指标。

实现谐波混频时，谐波激励器应有较高的效率，各次谐波的输出幅度较高而且尽量平坦。

2.4低相噪环路低通滤波器设计

使用双鉴相器切换的频率预置方式时，预置环与正常工作环的环路增益差别很大，可以达到上百倍，所以环路低通滤波器需小心设计，不仅要满足混频环低相噪指标，还要保证2个环路都能够锁定。

本设计中，环路低通滤波器采用反向积分式有源环路滤波器。设计环路低通滤波器时，为了实现低相噪，需考虑环路滤波器形式、环路带宽、零极点设置、相位裕量、电荷泵电流设置、鉴相泄露抑制、电阻噪声、运放选型[7]和VCO压控灵敏度的变化等很多因素，是设计的难点之一。

3指标分析与测试

3.1相位噪声指标计算

谐波混频合成器的总相位噪声功率谱密度(进行1 Hz归一化)为各个单元的相位噪声功率谱密度混合叠加。

假设有N个有噪单元的噪声叠加，频偏f处相位噪声功率谱密度分别为Pn(f) dBc/Hz，n=1,2,…,N。如果每个有噪单元产生的相位噪声都不相关，直接混频后的总相位噪声功率谱密度为[4]：

(1)

本设计中，总相位噪声为晶振、倍频器、单片频率源、鉴相器、VCO和环路滤波器带入的相位噪声的叠加。全频段内输出相位噪声理论上最差点为7 650 MHz，该频率下相位噪声计算如表2所示。恒温晶振的相位噪声指标按照-180 dBc/Hz@10 kHz计算。

表2　各单元电路带入的相位噪声汇总(单位dBc/Hz)

由表2可见，各部分中对相噪指标影响最大的是单片频率源。合成器理论上最差相噪为：

-134 dBc/Hz@10 kHz和-132dBc/Hz@100kHz。

3.2相位噪声指标测试结果

测试仪器选用安捷仑公司的信号分析仪N9030A PXA，该仪器具有很低的自身相位噪声。测得合成器在输出8 GHz时相位噪声为-128 dBc/Hz@10 kHz。

考虑到信号分析仪N9030A PXA的基底噪声大约为-129 dBc/Hz@10 kHz[8]，根据相位噪声叠加原理，利用式(1)进行计算，实际相位噪声在-132 dBc/Hz@10 kHz以下。

3.3杂散抑制指标分析

该合成器的远端杂散主要通过屏蔽、增加开关级数和加强电源滤波处理等方式来抑制。

对于近端杂散，一部分可通过电磁兼容设计和加强电源滤波处理来控制，其他近端杂散主要是鉴相频率泄露和单片频率源输出的杂散。鉴相频率泄露可通过合理设计环路滤波器来抑制；单片频率源输出的杂散由于输出频率不高，可保证在-75 dBc以下。经过调试，合成器实现的杂散抑制指标可优于70 dB。

4结束语

该合成器是综合考虑各项技术指标、成本、体积和复杂度等多个因素而设计的，并没有一味地追求高指标，具有良好的工程实用性。如果增加该方案的复杂度，相噪指标还可以进一步提升。合成器采用了双环频率预置和谐波混频等新技术，拥有优异的相位噪声和杂散抑制指标，带宽达到一个倍频程，实现了小于1 Hz频率步进，相位噪声测试结果与理论值基本一致，反映出设计方案的合理性和科学性。通过对双环频率预置和谐波混频原理的分析，可以看出，这是一种新颖的合成方案，可获得较其他合成方式更为理想的相噪指标，可应用于诸多频段的频率合成器中，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]雷振亚，明正峰，李磊，等.微波工程导论[M].北京:科学出版社,2010.

[2]MANASSEWITSCH Vadim.频率合成原理与设计(第3版)[M].何松柏,宋亚梅,鲍景富,等，译.北京:电子工业出版社,2008.

[3]杨新功,宋庆辉.超宽带低相噪频率合成器的实现[J].无线电通信技术,2006，32(3):39-41.

[4]蔡鹏飞,李青平,杨懿,等.基于谐波混频技术的宽带频综的设计[J].无线电通信技术,2013，39(8):73-75.

[5]李青平,刘方,蔡鹏飞.一种短波频率综合器的研制[J].无线电通信技术,2007，33(3):42-43,46

[6]王福昌,鲁昆生.锁相技术[M].武汉:华中科技大学出版社,1997.

[7]MANCINI R.运算放大器权威指南(第3版)[M].姚剑清，译.北京:人民邮电出版社,2010.

[8]Keysight Technologies.PXA X-Series Signal Analyzer N9030A Datasheet[R],2015.

张大鹤男，(1984—)，工程师。主要研究方向：频率合成技术。

李青平男，(1972—)，高级工程师。主要研究方向：频率合成技术。

作者简介

中图分类号TN743

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)02-0058-03

收稿日期：2015-11-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.14

引用格式：张大鹤,李青平.一种超低相位噪声宽带频率合成器的设计[J].无线电工程,2016,46(2):58-60.