CN102006060A - 一种谐波锁相频率源及其锁相方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种谐波锁相频率源，其包括晶体振荡器、微波取样鉴相器、环路滤波及自动捕获电路、压控振荡器、耦合器、锁定检测电路。本发明还提供一种谐波锁相频率源的锁相方法，本发明提供的频率源具有低相位噪声，较好的杂波抑制特性等特点。本发明还提供一种谐波锁相频率源的锁相方法。本发明提供的频率源具有低相位噪声，较好的杂波抑制特性等特点。本发明还提供一种谐波锁相频率源的锁相方法。
Description
技术领域
本发明涉及属于模拟锁相频率合成技术领域，尤其涉及一种谐波锁相频率源及其锁相方法。
背景技术
随着目前通信和雷达技术的发展，对系统中本振（LO）的相位噪声及杂波抑制特性提出了越来越高的要求。在很多情况下，用传统的锁相频率源已经不能满足使用要求，而谐波锁相频率源由于具有低相位噪声、高杂波抑制、低成本等方面的优势，在绝大多数情况下完全可以替代传统的锁相频率源。
发明内容
鉴于目前通信和雷达技术的发展，对频率源提出了越来越高的要求，传统的频率源已不能满足通信的需求，需要一种低相位噪声、较好的杂波抑制特性的频率源。因此有必要提供一种谐波锁相频率源及其锁相方法。
本发明提供一种谐波锁相频率源，其特征在于其包括晶体振荡器、微波取样鉴相器、环路滤波及自动捕获电路、压控振荡器、耦合器、锁定检测电路；所述微波取样鉴相器的输入端分别与所述晶体振荡器和所述耦合器的输出端相连；所述环路滤波及自动捕获电路的输入端与微波取样鉴相器的输出端相连；所述压控振荡器的输入端与环路滤波及自动捕获电路的输出端相连，压控振荡器的输出端与所述耦合器相连；所述锁定检测电路的输入端与环路滤波及自动捕获电路的输出端相连。
优选地，所述谐波锁相频率源还包括放大器和滤波器，所述放大器输入端和所述耦合器的主路输出端相连，放大器输出端与所述滤波器输入端相连。所述压控振荡器的输出功率大于或等于10dBm，相位噪声低于-130 dBc/Hz@100KHz。所述谐波锁相频率源分成微波和电路两部分，两部分的腔体内壁分别存在绝缘子；所述微波部分包括压控振荡器、耦合器、滤波器及放大器，所述电路部分包括微波取样鉴相器、环路滤波及自动捕获电路、锁定检测电路。
优选地，晶体振荡器为恒温晶体振荡器，所述恒温晶体振荡器的相位噪声低于-150 dBc/Hz@1KHz、-155 dBc/Hz@10KHz、-155 dBc/Hz@100KHz。所述恒温晶体振荡器的频率温度稳定度<±1ppm。
本发明还提供一种谐波锁相频率源的锁相方法，其特征在于晶体振荡器产生的参考信号通过传输巴仑送到微波取样鉴相器产生参考信号整数倍的谐波频率，其中的一个谐波信号与压控振荡器通过耦合电路返回的频率在取样鉴相器中进行鉴相，微波取样鉴相器在对这两个信号进行相位比较后，输出一个反映两个信号相位差的差拍信号送到环路滤波及自动捕获电路，经过环路滤波电路滤除高频信号后，环路滤波器输出电压控制压控振荡器的输出频率，从而将压控振荡器的输出锁定在参考信号的谐波频率上。
优选地，所述压控振荡器的输出送至耦合器后，耦合器的主路输出经过放大滤波，最终输出。
本发明的有益效果为：本发明一方面因为用于锁相的DRO介质振荡器/CRO陶瓷介质振荡器具有高Q值特性，噪声基底非常低，故远端相位噪声远优于传统的基于VCO压控振荡器的锁相频率源；另一方面因为利用了微波取样鉴相器直接将输出锁定在参考信号的谐波频率上，近端相位噪声特性也远优于传统的锁相频率源。频率源提供的输出频率：3GHz；相位噪声：优于-115dBc/Hz@1KHz；优于-125dBc/Hz@10KHz；杂波抑制：优于-70dBc；输出功率：大于或等于＋13dBm；工作电压：＋15V；参考工作频率：100MHz（外供）；工作温度-40～＋70℃。本发明提供的频率源具有低相位噪声，较好的杂波抑制特性等特点。本发明还提供一种谐波锁相频率源的锁相方法。
说明书附图
图1是本发明的简要工作原理框图；
图2是本发明微波取样鉴相器组成；
图3是本发明的环路滤波及自动捕获电路；
图4是本发明的结构布局。
具体实施方式
下面结合说明书附图，具体说明本发明的具体实施方式。
谐波锁相频率源主要由以下几个部分组成：高稳定、低相噪晶体振荡器，微波取样鉴相器SPD，环路滤波及自动捕获电路，锁定检测电路、压控振荡器如DRO介质振荡器/CRO陶瓷介质振荡器及耦合、放大及滤波电路等。
谐波锁相频率源，是利用谐波锁相技术实现的锁相式频率源，有别于传统的利用整数或小数分频技术实现的锁相频率源，其主要优势是相位噪声特性。传统的锁相频率源由于预分频器和分频器的的应用，对输出信号的相位噪声特性影响比较大。而谐波锁相频率源一方面因为用于锁相的DRO介质振荡器/CRO陶瓷介质振荡器具有高Q值特性，噪声基底非常低，故远端相位噪声远优于传统的基于VCO压控振荡器的锁相频率源；另一方面因为利用了微波取样鉴相器直接将输出锁定在参考信号的谐波频率上，近端相位噪声特性也远优于传统的锁相频率源（按晶体振荡器近端相位噪声＋20lgN+3计算）。此外，因为DRO/CRO都工作在一个窄带的频率范围内，谐波锁相频率源的杂波抑制也可以做得很好。
如图1所示的本发明的简要工作原理框图，晶体振荡器产生的参考信号经过预放大等处理，通过传输巴仑送到取样鉴相器产生一系列参考信号整数倍的谐波频率。其中的一个谐波信号与压控振荡器CRO/DRO通过耦合电路返回的频率在取样鉴相器中进行鉴相，微波取样鉴相器在对这两个信号进行相位比较后，输出一个反映两个信号相位差的差拍信号送到环路滤波及自动捕获电路，经过环路滤波电路滤除高频信号后，环路滤波器输出电压控制压控振荡器的输出频率，从而将压控振荡器的输出锁定在参考信号的谐波频率上。耦合器的主路输出经过放大滤波等处理后，最终输出满足指标要求的连续波信号。本发明提供的频率源相关技术指标如下：输出频率：3GHz；相位噪声：优于-115dBc/Hz@1KHz；优于-125dBc/Hz@10KHz；杂波抑制：优于-70dBc；输出功率：大于或等于＋13dBm；工作电压：＋15V；参考工作频率：100MHz（外供）；工作温度-40～＋70℃。
晶体振荡器的作用是为谐波锁相提供一个参考信号，它决定谐波锁相频率源的近端相位噪声特性，也决定谐波锁相频率源的频率稳定度及频率精度等特性。在本发明中采用的晶体振荡器为低相噪、高温度稳定度的恒温晶体振荡器（OCXO），其指标如下：输出频率：100MHz；相位噪声：优于-150 dBc/Hz@1KHz；优于-155 dBc/Hz@10KHz；优于-155 dBc/Hz@100KHz；频率温度稳定度：优于±1ppm；频率精度：优于±1ppm。
如图2所示的本发明微波取样鉴相器组成，本发明选用的取样鉴相器由3个部分组成，SRD（阶跃恢复二极管）：SRD对应的是取样鉴相器中的D1，它的作用从频域上看是产生一系列输出频率是输入晶体振荡器频率整数倍的谐波频率，这一系列频率被称为梳线谱。从时域上看，它的作用是产生一个周期和输入信号频率一样的窄脉冲。门电容：门电容对应取样鉴相器中的C1和C2，它们在取样鉴相器中的作用就如同一个开关，开关的通断是由SRD产生的脉冲控制的。肖特基二极管：肖特基二极管对应取样鉴相器中的D2和D3，这一对肖特基二极管的作用是作为鉴相器来比较输出信号与相应参考信号的谐波频率的，其输出的差拍信号送到锁相环路中的环路滤波放大器做锁相用。
如图3所示的本发明的环路滤波及自动捕获电路，该电路决定了锁相环路能否进入自动捕获、输出信号的近端相位噪声、环路的稳定性等特性。
压控振荡器如介质振荡器CRO或陶瓷介质振荡器DRO的作用就是产生需要的输出信号，在本发明中拟采用的压控振荡器CRO指标如下：工作频率：3GHz±30MHz；调谐电压：0V～15V；3GHz调谐电压：7.5V±1V；输出功率：大于或等于10dBm；相位噪声：优于-130 dBc/Hz@100KHz；工作温度：-40～＋70℃。压控振荡器CRO的输出信号除直接向外输出外，还需要耦合一路信号回锁相环路形成完整的负反馈，以完成锁相。从经济及节约空间的角度考虑，该定向耦合器可以用三个18Ω的电阻功分来替代。压控振荡器CRO的输出信号经过功分后，再加输出前的滤波等处理，若直接输出，其输出功率过小，另外，为了提高本频率源的带载能力，所以我们需要选用一个1dB压缩点功率比较大的放大器来实现信号放大隔离的功能。在本发明中，选用MINI公司的单片放大器ERA－5SM。压控振荡器CRO输出的信号除了需要的3GHz信号外，还有其谐波信号，也可能含有其他的杂波信号，为了满足杂波抑制的指标要求 ，我们需要在放大器之后使用一带通滤波器。从经济及节约空间的角度考虑，选用MINI公司的高通滤波器HFTC－26和低通滤波器LFCN－3000来配合使用。
本方案中发热量最大的器件是压控振荡器CRO，为帮助该器件散热，在该器件与微波板的接地脚处采用大面积接地，并尽量靠近盒体壁处。
当环路处于失锁状态时，对压控振荡器CRO的调谐电压将会是三角波扫描电压，这期间就会产生低电平，当环路处于锁定状态时，三角波电压信号就会被停止，这时的调谐电压将会是高电平。锁定检测电路就是对压控振荡器CRO的调谐电压进行采样保持，并产生能反映锁相环路处于锁定和失锁状态的高、低电平，也可以进一步利用产生的高、低电平来驱动发光二极管等器件，以直观的反映环路的锁定和失锁状态。
如图4所示的本发明的结构布局，从电磁兼容设计的角度考虑，本方案可以考虑用腔体把谐波锁相频率源分成两个部分：微波部分和电路部分。微波部分主要是谐波锁相CRO、耦合、滤波及放大等功能模块构成，电路部分主要有参考信号预放大、SPD、环路滤波及自动捕获电路、锁定检测电路等功能模块构成。两个部分直接的馈电和信号传输可以通过腔体壁上的绝缘子来实现，这样可以减少两个部分之间相互影响，实现电磁兼容。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种谐波锁相频率源，其特征在于其包括晶体振荡器、微波取样鉴相器、环路滤波及自动捕获电路、压控振荡器、耦合器、锁定检测电路；
所述微波取样鉴相器的输入端分别与所述晶体振荡器和所述耦合器的输出端相连；
所述环路滤波及自动捕获电路的输入端与微波取样鉴相器的输出端相连；
所述压控振荡器的输入端与环路滤波及自动捕获电路的输出端相连，压控振荡器的输出端与所述耦合器相连；
所述锁定检测电路的输入端与环路滤波及自动捕获电路的输出端相连。
2.如权利要求1所述的谐波锁相频率源，其特征在于所述谐波锁相频率源还包括放大器和滤波器，所述放大器输入端和所述耦合器的主路输出端相连，放大器输出端与所述滤波器输入端相连。
3.如权利要求1所述的谐波锁相频率源，其特征在于所述压控振荡器为介质振荡器。
4.如权利要求1所述的谐波锁相频率源，其特征在于所述压控振荡器为陶瓷介质振荡器。
5.如权利要求1所述的谐波锁相频率源，其特征在于所述压控振荡器的输出功率大于或等于10dBm，相位噪声低于-130 dBc/Hz@100KHz。
6.如权利要求2所述的谐波锁相频率源，其特征在于所述谐波锁相频率源分成微波和电路两部分，两部分的腔体内壁分别存在绝缘子；所述微波部分包括压控振荡器、耦合器、滤波器及放大器，所述电路部分包括微波取样鉴相器、环路滤波及自动捕获电路、锁定检测电路。
7.如权利要求1或2所述的谐波锁相频率源，其特征在于所述晶体振荡器为恒温晶体振荡器，所述恒温晶体振荡器的相位噪声低于-150 dBc/Hz@1KHz、-155 dBc/Hz@10KHz、-155 dBc/Hz@100KHz。
8.如权利要求5所述的谐波锁相频率源，其特征在于所述恒温晶体振荡器的频率温度稳定度<±1ppm。
9.一种谐波锁相频率源的锁相方法，其特征在于晶体振荡器产生的参考信号通过传输巴仑送到微波取样鉴相器产生参考信号整数倍的谐波频率，其中的一个谐波信号与压控振荡器通过耦合电路返回的频率在取样鉴相器中进行鉴相，微波取样鉴相器在对这两个信号进行相位比较后，输出一个反映两个信号相位差的差拍信号送到环路滤波及自动捕获电路，经过环路滤波电路滤除高频信号后，环路滤波器输出电压控制压控振荡器的输出频率，从而将压控振荡器的输出锁定在参考信号的谐波频率上。
10.如权利要求8所述的谐波锁相频率源的锁相方法，其特征在于所述压控振荡器的输出送至耦合器后，耦合器的主路输出经过放大滤波，最终输出。
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