一种低相噪压控振荡器的设计与实现

张振宇，索瑞隆，杨爱军，赵 凡

(宝鸡烽火诺信科技有限公司，陕西 宝鸡 721006)

一种低相噪压控振荡器的设计与实现

张振宇，索瑞隆，杨爱军，赵 凡

(宝鸡烽火诺信科技有限公司，陕西 宝鸡 721006)

基于短波通信系统低噪声、小型化需求，提出了一种低相噪压控振荡器 (VCO)，其频率范围46～76 MHz，调谐电压2.5～9.5 V，采用表面贴的封装结构，体积12.7 mm×12.7 mm×4.3 mm。设计采用改进型电容三点式克拉泼振荡器电路，与LC调谐带宽电路共同产生正弦波频率信号的设计方法，通过线路设计、高Q元器件的应用及精细的工艺加工，逐步提高性能指标，实现了低噪声压控振荡器 (VCO)制造的目的。测试结果表明，振荡器单边带相位噪声 10 kHz、100 kHz处分别达到了－125 dBc/Hz、－145 dBc/Hz，较同类压控振荡器产品降低了－15 dBc/Hz左右。

压控振荡器 (VCO);相位噪声;LC谐振电路;电阻衰减网络;输出匹配网络

0 引言

在现代电子技术中，频率合成技术［1］是一门使用广泛的技术，通过频率合成，可以获得多频率、高稳定的振荡信号。现代频率合成主要采用数字锁相合成技术［2］，由高稳定度、高准确度的参考频率源通过数字锁相合成获得高品质的离散频率。压控振荡器作为锁相合成器的关键电路及重要组成部分，受到越来越多的关注。低相位噪声［3］、宽调谐范围及小安装体积是压控振荡器设计追求的主要指标。

随着半导体技术和集成技术的发展，出现了许多集成的压控振荡器［4］，集成压控振荡器体积小、便于调试，近年来广泛应用于锁相环电路中。但目前大多集成压控振荡器，“相位噪声”指标不足，如美国Mini-Circuits公司生产的POS－75，“相位噪声”在10 kHz、100 kHz处仅有－110 dBc/Hz、－130 dBc/Hz，为了适应高性能通信系统及设备的需求，本文提供了一种低相噪压控振荡器［5］，可替代POS－75，除采用小体积的表面贴封装结构外，“相位噪声”指标提高了很多，达到了－125 dBc/Hz (10 kHz)、－145 dBc/Hz(100 kHz)。

1 低相噪压控振荡器总体设计

根据本设计所要求的46～76 MHz较宽的调谐带宽，采用LC谐振电路来进行压控振荡器的设计。LC压控振荡器是最普遍也是最适用的振荡器类型，其谐振回路由LC元件组成，电压频率特性由变容二极管调谐来实现，即在振荡器中，将压控可变电抗元件变容二极管插入振荡回路就可形成LC压控振荡器。由此可见，振荡器与包含有变容管的LC调谐带宽电路是压控振荡器必不可少的2部分。本文低相噪压控振荡器电路结构组成如图1所示。

图1 低相噪压控振荡器电路结构

由图1可知，压控振荡器由直流电源提供能量，通过直流控制电源来改变变容管的容量，变容二极管组1接入LC调谐带宽电路并成为其一部分，调谐带宽电路与电容反馈振荡器中的LC元件串联形成振荡谐振回路，完成振荡器的频率信号输出，控制电压的变化改变了变容管的容量，从而改变了振荡器的输出频率，实现了“压控”的目的。图中的滤波电路是对直流电源进行滤波，用以消除电源纹波对电路的影响，降低外部电源引起的噪声。图1中，压控振荡器产生的频率信号经过了电阻衰减器［6］，再经输出匹配网络［7］的处理形成最终的输出。电阻衰减器对信号有衰减作用，可以调整信号传输通路上的信号电平，改善电路的阻抗匹配，稳定阻抗。输出匹配网络对负载进行阻抗匹配，调节信号输出功率，同时起到低通滤波器的作用，进行频率选择，有效抑制了压控振荡器的谐波。输出匹配网络一般是LC网络，其中的“C”可改变以实现调谐，满足不同频率信号输出时的最佳阻抗匹配。本文设计即属于此，LC匹配网络中“C”即为变容二极管组2，通过控制电源来实行调谐，其低通截止频率与压控振荡器输出频率在某个量级成线性关系，保证振荡器在46～76 MHz有用频率信号输出时，调节及抑制始终起作用。

2 电路设计

2．1 振荡器及变容管调谐带宽电路

采用改进型电容三点式克拉泼振荡器电路［8］进行压控振荡器的设计，如图2所示。图2(a)为实际电路，图2(b)为交流等效电路。图2(a)中振荡器部分由L与C1、C2、C3组成LC谐振回路，其中C3与电感L串联，可以把L与C3的串联电路等效为一电感(在振荡频率上)，即满足电容三点式克拉泼振荡器的组成原则，振荡器频率由电感L与电容 C1、C2、C3决定，RB1、RB2和 Re为偏置电阻，Lc为集电极提供直流通路。图2(a)中变容管调谐带宽电路由VD、L1、L2和C4通过串并联组成，VT提供调谐电压，C L、LD为高频滤波电容与扼流电感。调谐带宽电路通过变容管直接调频部分接入的方式串联接入振荡器LC谐振回路中，与振荡器调谐元件组成新的谐振回路，可以把变容管调谐带宽电路与L、C3的串联电路等效为一电感(在振荡频率上)，当然同样满足电容三点式克拉泼振荡器的组成原则。下面通过图2电路来推导压控振荡器振荡频率的计算公式。

图2 低相噪压控振荡器电路

未接变容管调谐带宽电路时，振荡器谐振回路的总电容与振荡频率分别为:

变容管调谐带宽电路的等效电感与电容分别为:

变容管调谐带宽电路接入振荡电路时，压控振荡器谐振回路的总电容与振荡频率分别为:

由公式可知:压控振荡器的振荡频率与组成其谐振回路的所有LC元件均有关系，本文设计中，电感元件由L、L1和L2组成，其中L1和L2出现在变容管调谐带宽电路中，作可调电感使用。电容元件由C1、C2、C3、C4和Cj组成，其中C1、C2为克拉泼振荡器的2个容性元件，C3作微调使用，C4用以调节变容管Cj(VD)的灵敏度，而变容管Cj容量的改变实现了振荡频率的变化。

2．2 电阻衰减器电路

为了使压控振荡器输出稳定有用的信号，在其输出端加入了电阻衰减器。电阻衰减器对信号电平进行调节，改善电路的阻抗匹配，提高稳定性［9］，电阻衰减网络的结构形式很多，常用的有Τ型和Π型2种。本文采用Τ型电阻衰减网络结构，如图3所示。

图3 电阻衰减器电路

Τ型电阻衰减网络中，R1与 R3对称且相等，各阻值可通过以下公式计算得到:

α=20logk［dB］，α为衰减倍数。

R1=R3=R(k－1)/(k+1)，R为输入输出阻抗，本文设计为50 Ω，R2=2R·k/(k2－1)。

从以上公式知，只要确定了衰减量和阻抗，电阻网络中阻值会通过查表和计算得到;另外，有一款由Fingu公司编写的衰减网络计算软件，对Τ型、Π型衰减网络各参数的计算很到位，使用灵活方便。但不管采用哪种方法，实际应用中，由于没有适合规格的电阻，电路设计中总会存在误差，如本文设计中，输入输出阻抗为50 Ω，衰减3 dB，软件计算出的R1为8．5 Ω，R2为141．9 Ω，而实际应用中，R1为0402规格的10 Ω，R2为150 Ω，衰减了3．4 dB。

2．3 输出匹配网络电路

输出匹配网络是由2种不同性质的电抗元件LC组成的双端口网络，一般有 L型、T型和 Π型3种形式。本文采用Π型输出匹配网络，如图4所示。

图4 输出匹配网络电路

Π型网络是由2节L型匹配网络级联组成，其回路的Q值比L型增加了1倍，为了在不同频率输出时有很好的阻抗匹配以及保证回路的高Q值，C作为可变电容调谐使用。实际电路中，此处的电容由变容二极管代替。Π型输出匹配网络也可看作一个低通滤波器，在输出端滤除不需要的直流与谐波分量，保证负载上只输出高频基波功率。输出匹配网络中L与C的值与电路的输入输出阻抗，输出截止频率及回路的Q值有关，可根据Π型匹配网络及低通滤波器的相关公式进行推导计算。

3 压控振荡器低相位噪声的分析与实现

3．1 压控振荡器相位噪声模型

采用李森模型，由文献［10－11］知，LC压控振荡器正常工作条件下，输出信号相位噪声功率谱密度L(f)的表达式为:

式中，fm为频偏;KVCO为压控振荡器控制灵敏度;f0为振荡频率;Q为品质因数;F为晶体管的噪声系数; K为波尔兹曼常数;T为工作温度;Ps为振荡信号功率;fc为闪烁噪声拐角频率;Vm为低频噪声源的总幅度。从公式可以看出，选择噪声系数小的放大管、增加谐振回路有载Q值、减小压控振荡器控制灵敏度和提高输出信号功率都可以降低相位噪声。

3．2 元器件的选择及应用

通过元器件的选择应用，提高谐振回路的Q值，降低压控振荡器的相位噪声。由上述设计电路可知，压控振荡器用到的元器件包括电阻、电容和电感等无源器件和晶体三极管、变容二极管等有源器件。对于阻容件的选择，充分考虑其高频特性，温度特性;电感则要求高的Q值;而高增益和低噪声是三极管选择的主要指标。变容二极管是压控振荡器的重要组成部分，对其选择尤为重要，除体积大小、结电容、变容比这些常规要求外，Q值是必须要考虑的指标。本文设计中，所有元器件均采用表面贴装结构。阻容件选用 0402体积，0温度系数的电阻电容;电感为CoilCraft的0603高频线绕电感;晶体三极管采用NEC的高频小功率管2SC5006，其特征频率FT达到4．5 GHz，增益9 dB，噪声系数仅1．2 dB，而它微型化的封装也是必选的条件之一。变容二极管选用了Infineon的BB640、BB639及TOSHIBA的1SV290三种管子，在调谐带宽电路中，BB640与1SV290并联，实现了46～76 MHz范围的频率全覆盖，并通过调整电容尽量降低灵敏度;在Π型匹配网络中，BB640与BB639并联，作为可调电容调谐，实现阻抗匹配，提高输出信号功率。

3．3 压控振荡器结构及印制板设计

压控振荡器采用表面贴封装结构，如图5所示，由带元件的印制板1与屏蔽盒2组成。印制板采用双面板，一面为表贴面，提供外部接口;另一面为元件面，实现振荡器功能。屏蔽盒罩在元件面的印制板上，进行电场屏蔽，防止信号干扰。屏蔽盒材料为0．3 mm厚的黄铜带，印制板采用0．8 mm厚的陶瓷材料。

图5 压控振荡器结构

印制板设计中，充分考虑了布局布线引起的内部干扰，元件均取标准贴装焊盘，走线遵循短、少平行、不交叉的原则。通过金属化过孔多点接地，表贴面全覆地，元件面四周边缘环绕接地等方法，有效地减小了接地线引起的分布电感电阻。另外，印制板采取拼板方式，元器件上机贴装工艺，提高装配质量，降低了板上元器件间的分布参数。

3．4 调试

利用ADS软件仿真与实际调试相结合，对低相噪压控振荡器的设计电路按振荡器单元—加调谐电路—加衰减器—加输出网络—加滤波电路逐级进行调试，逐步提高性能指标，以至达到设计的目的。调试过程中，在追求低相位噪声指标情况下必须兼顾其他要求，特别是频率调谐范围，范围窄，相噪指标会好些，但高温环境下易引起频率合成器失锁。

4 低相噪压控振荡器实测结果

用Agilent公司的E5052B信号源分析仪对压控振荡器进行测试，结果如图6和图7所示，其中图6为调谐电压2～10 V时振荡器频率调谐范围、调谐灵敏度、输出幅度及功耗电流指标图。图7为单边带相位噪声测试图。

由实测图可以看出，压控振荡器的“相位噪声”指标达到了－125 dBc/Hz(10 kHz)、－145 dBc/Hz(100 kHz)低相噪设计的目的，其他指标如频率调谐范围、调谐灵敏度、输出幅度及功耗电流也符合要求。以上测试数据基于压控振荡器的电源电压为5 V DC。

图6 频率范围、灵敏度、电流和幅度测试结果

图7 相位噪声测试结果

5 结束语

本文基于克拉泼振荡器的基本原理，利用变容二极管的压控特性，通过阻抗匹配、低通滤波等电路，制成了一种低相位噪声、宽频率范围的压控振荡器，并对振荡器进行了实测与应用验证。经测试表明，该振荡器达到了宽频率范围同步调谐的要求，实现了低相位噪声设计的目的。经应用验证，降低了短波通信系统频合单元的噪声，提高了整机性能。

［1］ 彭志华，周存麒．C波段低相噪频率合成器设计［J］．无线电工程，2012，42(3):44－46．［2］ 胡丽格．一种S波段宽带小步进频率合成器的设计与实现［J］．无线电工程，2015，45(5):70－72．

［3］ 张金贵，许星辰．相位噪声对8PSK卫星通信链路的影响［J］．无线电通信技术，2014，40(4):15－17．

［4］ 郭文胜，申永进，要志宏．集成宽带压控振荡器的设计［J］．无线电工程，2005，35(5):59－61．

［5］ 张振宇，龙拉怀，赵 艳，等．低相噪压控振荡器［P］．中国．ZL 2013 2 0548702．4，2014－04－23．

［6］ 岩本洋，加藤益明(日)．电子技术常用公式及应用［M］．周贤明，译．北京:人民邮电出版社，1982．

［7］ 曾兴雯，刘乃安，陈 健．高频电子线路［M］．北京:高等教育出版社，2008．

［8］ 沙济彰，陆曼如．非线性电子线路［M］．西安:西安电子科技出版社，1993．

［9］ 张 诚，王自力，赵 毅，等．超宽带低温接收机后级低噪声放大器设计［J］．微波学报，2015，31(5):85－88．

［10］LEESON D B．A Simplemodel of Feedback Oscillator Noises Spectrum［J］．Proceedings of the IEEE，1996，54 (2):329－330．

［11］HAJIMIRI A，LEE T H．A General Theory of Phase Noise inElecrical Oscillartors［J］．IEEE Joumal of Solide-state Circuits，1998，33(2):179－194．

Design and Implementation of a Novel Voltage Controlled Oscillator with Low Phase Noise

ZHANG Zhen-yu，SUO Rui-long，YANG Ai-jun，ZHAO Fan

(Baoji Fenghuo Nuoxin Technology Co．，Ltd，Baoji Shaanxi 721006，China)

Based on the requirement of HF communication system for low noise and miniaturization，a novel voltage controlled oscillator with low phase noise has been presented，whose frequency covers a range from 46 to 76 MHz and tuning voltage from 2．5 to 9．5 V．The surface-mount encapsulation method is employed to form a certain scale with the size of 12．7 mm×12．7 mm×4．3 mm．Modified three-point carat oscillator circuit is used to meet the LC circuit tuning bandwidth，from which the sine wave frequency signal is generated．By the employment of advanced circuit design，high Q components and precision machining，the voltage controlled oscillator with fine performance is manufactured successfully．Testing results show that SSB phase noise of the oscillator at 10 kHz and 100 kHz has reached－125 dBc/Hz and－145 dBc/Hz respectively．The phase noise of the new VCO decreases about－15 dBc/Hz compared with that of VCO of the same type．

voltage controlled oscillator(VCO);phase noise;LC resonance circuits;resistance attenuation network;output matching network

TN753.9

A

1003－3106(2017)02－0074－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．18

张振宇，索瑞隆，杨爱军，等．一种低相噪压控振荡器的设计与实现［J］．无线电工程，2017，47(2):74－77，82．

2016-11-30

张振宇男，(1972—)，工程师。主要研究方向:振荡器、滤波器等器件的研发与制造。

索瑞隆男，(1988—)，助理工程师。主要研究方向:振荡器、滤波器等器件的研发与制造。