CN104682955A - 一种混频锁相的高相噪宽带微波源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混频锁相的高相噪宽带微波源，包括屏蔽盒体、位于屏蔽盒体内的基板和安装在基板上的微波电路，所述微波电路包括频综、耦合器、LO本振和混频器，其中的频综与耦合器相连，处理后的信号从耦合器输出，LO本振和混频器连接，在耦合器和混频器之间依次连接低噪声放大器b和低通滤波器c，混频器向前传输信号依次连接低通滤波器b、低噪声放大器a、低通滤波器a和频综上的锁相环电路；所述LO本振由晶振依次经过低噪声放大器c、倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b处理后得到，其中的晶振还与频综上的锁相环电路连接。本发明通过上述原理，该宽带微波源组件结构紧凑，容易调试，相位噪声高，接收机接收的灵敏度好。

Description

一种混频锁相的高相噪宽带微波源

技术领域

本发明涉及射频和微波电子领域，具体地，涉及一种混频锁相的高相噪宽带微波源。

背景技术

高相噪的频率信号源是现代射频和微波电子系统的心脏，其性能直接影响整个电子系统。 随着无线电技术的发展,特别是在现代复杂电磁环境中，要提高接收机的信号截获能力和动态范围，需对频率合成器进行捷变频和低相噪设计；其中传统的高相噪频率源是由DRO和YIG经过模拟鉴相器其中锁相输出得到；DRO的缺点是无法实现宽带多频点，所以DRO在点频工作时具有很大的优势；YIG的缺点是成本高、锁相时间慢。占有由于其高昂的成本、锁相频率带宽窄、体积大、频率步进大的特点，所以在结构加工，材料的焊接工艺等方面很难保证相关技术要求，或者就是结构复杂不容易调试，大批量生产受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种混频锁相的高相噪宽带微波源，该宽带微波源组件结构紧凑，容易调试，相位噪声高，接收机接收的灵敏度好。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种混频锁相的高相噪宽带微波源，包括屏蔽盒体、位于屏蔽盒体内的基板和安装在基板上的微波电路，所述微波电路包括频综、耦合器、LO本振和混频器，其中的频综与耦合器相连，处理后的信号从耦合器输出，LO本振和混频器连接，在耦合器和混频器之间依次连接低噪声放大器b和低通滤波器c，混频器向前传输信号依次连接低通滤波器b、低噪声放大器a、低通滤波器a和频综上的锁相环电路；所述LO本振由晶振依次经过低噪声放大器c、倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b处理后得到，其中的晶振还与频综上的锁相环电路连接。

其中的倍频电路是由阶跃恢复二极管的谐波倍频完成，阶跃恢复二极管是一种具有很强非线性导电特性的二极管元件，它的谐波产生效率可以接近1/n，这里n表示谐波次数。阶跃恢复二极管倍频不需要空闲电路，使微波电路结构更简单和紧凑。该微波源的产生采用混频锁相的方式，混频锁相方式增加了频率搬移电路，通过在反馈支路对输出频率进行下移，从而降低了环路分频比，实现对系统输出相位噪声的改善，，提高相位噪声，从而提高了接收机接收信号的灵敏度。为了避免干扰和杂讯，所述屏蔽盒体包括两个，分别为盒体a和盒体b，盒体b位于盒体a中，整个微波电路均位于盒体a中，其中微波电路上的倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b还位于盒体b中。由于倍频电路部分和带通滤波器比较特殊，对屏蔽盒体的屏蔽效果要求高，若屏蔽效果做的不好容易出现干扰和杂讯，该处采用单独的屏蔽盒体b来安装倍频电路部分和带通滤波器。

进一步的，位于盒体b中的电路与位于盒体a中的电路之间通过射频同轴连接器SMA连接。位于不同屏蔽盒体内的电路之间通过射频同轴SMA连接器连接。此连接器传输损耗低、结构紧凑，抗振和电磁屏蔽性能优异；分置的屏蔽盒体使系统结构更加清晰，装配更简单，且由于其屏蔽性使得系统本身性能不因相互干扰而降低。

为了进一步缩小体积，使组件更紧凑，所述锁相环电路为单片集成锁相环芯片。其集成度较高，利于小型化涉及，此外还可应用现有技术中的相关成熟电路来实现锁相环。

作为本发明的进一步改进，所述晶振为温补晶振。其振荡频率稳定，可补偿因温度变化产生漂移，性能更稳定。

为了使性能更稳定，所述基板为宽介电常数罗杰斯覆铜箔基板。其为国产微波板，介电常数宽，并具有优异的机械、化学和物理电气性能。

为了进一步的缩小体积，所述压控振荡器、倍频器、带通滤波器a、带通滤波器b、低通滤波器a、低通滤波器b和低通滤波器c均为表贴封装的MMIC芯片。这就可以极大减小整个电路体积，便于组件的小型化设计。

作为本发明的进一步改进，所述频综包括依次连接的控制器、锁相环电路和压控振荡器，压控振荡器和耦合器连接。

作为本发明的进一步改进，所述控制器为FPGA控制器。频综中的控制器选用FPGA，频综控制程序烧录在FPGA的存储器中，便于在线修改和重复擦写，用于控制宽带微波频综锁相中的相关运算及频率输出。此外，控制器还可采用其它逻辑器件。

优选的，所述屏蔽盒体为铝质屏蔽盒体。铝是一种成本较低，且同比其他低成本金属绝缘性较好的介质。

综上，本发明的有益效果是：

1、频综选用简单的三线串口控制、高工作频率、低相噪的单片集成锁相环芯片，以及具有超低噪声、低环路电压和较高输出功率等优点的集成压控振荡器搭建而成，通过FPGA控制实现低相噪的频综输出，频综输出的信号经过定向耦合器输出；保证了倍频后的本振和频综耦合输出的信号经过混频器混频输出，混频输出的中频信号进行反串到输出端，从而避免了中频信号对频综输出的信号进行干扰。

2、应用高介电常数、低损耗的材料作为基板，电路经过软件的仿真设计，实现了较小的插入损耗和较大的带外抑制；此外由于电路中各部件均采用超小型表贴封装，外围电路较少，节省了 PCB版面空间，有利于整体小型化设计；模块间的连接使用射频同轴SMA连接器，使得结构紧凑，装配更为简单。

附图说明

图1是本发明中微波电路原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本发明包括屏蔽盒体、位于屏蔽盒体内的基板和安装在基板上的微波电路，所述微波电路包括频综、耦合器、LO本振和混频器，其中的频综与耦合器相连，处理后的信号从耦合器输出，LO本振和混频器连接，在耦合器和混频器之间依次连接低噪声放大器b和低通滤波器c，混频器向前传输信号依次连接低通滤波器b、低噪声放大器a、低通滤波器a和频综上的锁相环电路；所述LO本振由晶振依次经过低噪声放大器c、倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b处理后得到，其中的晶振还与频综上的锁相环电路连接。

其中的频综、倍频器、带通滤波器在相关电磁场仿真软件中建立整个器件的模型，设定并求解相关参数，以便得到最佳性能，调试方便。调试出的最佳输出频率为4-8CHz，输出功率15dBm，相位噪声为-90dBc/Hz；杂散输出为-70dBc ；谐波抑制： 30dBc ；  工作温度：-40°C +70°C ；频率稳定度：士 300ppb (全温）；工作电流：+5V（500mA);12V (300mA)。

在充分考虑参考信号、压控振荡器VCO和鉴相器引入相位扰动的基础上，忽略一些次要因素，可建立图1所对应的系统相位噪声叠加模型，如图1所示。  将噪声源进行叠加，经过简单地推导，可得出系统单边带相位噪声功率谱密度为：

（1）；

由式（1）表明，参考信号的噪声通过环路时倍乘了，数字鉴相器的本底噪声则倍乘了。假设环路滤波器采用有源比例积分电路，其传输特性接近理想积分滤波器，其传输特性接近理想积分滤波器，幅频特性可做以下近似估算：

   

因此，（1）式可等效为

根据相位噪声最优原则，环路滤波器的转折频率应取在式（2）、（3）的交点，其闭环特性为：在环路带宽内，系统输出的相位噪声主要取决于参考信号和数字鉴相器基底噪声，在环路带宽外，相位噪声则主要由压控振荡器VCO决定。

在该方案中对于晶振输出的信号频率依次经过低噪声放大器c、倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b处理后得到LO本振，LO本振与压控振荡器经耦合器、低噪声放大器b和低通滤波器c处理后的输出信号经过混频器混频处理后的反馈信号经过低通滤波器b、低噪声放大器a和低通滤波器a的处理后传给锁相环电路的鉴相器的两频率信号输入端，控制器输出控制信号给鉴相器的数字信号输入端；鉴相器输出控制电压给压控振荡器VC0，提高相位噪声后，经过耦合器后输出高相位噪声的信号，接收机的接收的灵密度更好。该装置结构紧凑，体积小。

实施例2：

本发明在实施例1的基础上优选如下：屏蔽盒体包括两个，分别为盒体a和盒体b，盒体b位于盒体a中，整个微波电路均位于盒体a中，其中微波电路上的倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b还位于盒体b中。由于倍频电路部分和带通滤波器比较特殊，对屏蔽盒体的屏蔽效果要求高，若屏蔽效果做的不好容易出现干扰和杂讯，该处采用单独的屏蔽盒体b来安装倍频电路部分和带通滤波器。

实施例3：

本发明在上述实施例的基础上优选如下：位于盒体b中的电路与位于盒体a中的电路之间通过射频同轴连接器SMA连接。位于不同屏蔽盒体内的电路之间通过射频同轴SMA连接器连接。此连接器传输损耗低、结构紧凑，抗振和电磁屏蔽性能优异；分置的屏蔽盒体使系统结构更加清晰，装配更简单，且由于其屏蔽性使得系统本身性能不因相互干扰而降低。

实施例4：

本发明在上述实施例的基础上优选如下：所述锁相环电路为单片集成锁相环芯片。其集成度较高，利于小型化涉及，此外还可应用现有技术中的相关成熟电路来实现锁相环。

晶振为温补晶振。其振荡频率稳定，可补偿因温度变化产生漂移，性能更稳定。

基板为宽介电常数罗杰斯覆铜箔基板。其为国产微波板，介电常数宽，并具有优异的机械、化学和物理电气性能。

为了使结构更紧凑，压控振荡器、倍频器、带通滤波器a、带通滤波器b、低通滤波器a、低通滤波器b和低通滤波器c均为表贴封装的MMIC芯片。这就可以极大减小整个电路体积，便于组件的小型化设计。

所述频综包括依次连接的控制器、锁相环电路和压控振荡器，压控振荡器和耦合器连接。

为了便于调试，所述控制器为FPGA控制器。频综中的控制器选用FPGA，频综控制程序烧录在FPGA的存储器中，便于在线修改和重复擦写，用于控制宽带微波频综锁相中的相关运算及频率输出。此外，控制器还可采用其它逻辑器件。

所述屏蔽盒体为铝质屏蔽盒体。铝是一种成本较低，且同比其他低成本金属绝缘性较好的介质。

如上所述，可较好的实现本发明。

Claims (10)

1.  一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，包括屏蔽盒体、位于屏蔽盒体内的基板和安装在基板上的微波电路，所述微波电路包括频综、耦合器、LO本振和混频器，其中的频综与耦合器相连，处理后的信号从耦合器输出，LO本振和混频器连接，在耦合器和混频器之间依次连接低噪声放大器b和低通滤波器c，混频器向前传输信号依次连接低通滤波器b、低噪声放大器a、低通滤波器a和频综上的锁相环电路；所述LO本振由晶振依次经过低噪声放大器c、倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b处理后得到，其中的晶振还与频综上的锁相环电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述屏蔽盒体包括两个，分别为盒体a和盒体b，盒体b位于盒体a中，整个微波电路均位于盒体a中，其中微波电路上的倍频电路、带通滤波器a、低噪声放大器d和带通滤波器b还位于盒体b中。

3.根据权利要求2所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，位于盒体b中的电路与位于盒体a中的电路之间通过射频同轴连接器SMA连接。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述锁相环电路为单片集成锁相环芯片。

5.根据权利要求4所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述晶振为温补晶振。

6.根据权利要求5所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述基板为宽介电常数罗杰斯覆铜箔基板。

7.根据权利要求6所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述压控振荡器、倍频器、带通滤波器a、带通滤波器b、低通滤波器a、低通滤波器b和低通滤波器c均为表贴封装的MMIC芯片。

8.根据权利要求7所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述频综包括依次连接的控制器、锁相环电路和压控振荡器，压控振荡器和耦合器连接。

9.根据权利要求8所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述控制器为FPGA控制器。

10.根据权利要求1所述的一种混频锁相的高相噪宽带微波源，其特征在于，所述屏蔽盒体为铝质屏蔽盒体。