CN106533437A - 一种宽带细步进频率源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种宽带细步进的频率源电路，通过DDS输出几百兆赫兹的细步进输出信号来实现压控振荡器的细步进输出信号。通过选择具有宽带特性的压控振荡器来实现宽带频率源电路。发明中采用一种IQ混频器作为射频混频器，该IQ混频器对本振信号和中频信号的差信号进行提取，而对本振信号和中频信号的和信号进行提取，同时差信号对本振信号的抑制在20dBc以上，很好的保证了IQ混频器输出的射频信号无需通过极窄带的滤波器进入数字鉴相器。相比于常用的DDS电路，该电路调试难度低，实现频率精度极高，并且可以小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带细步进频率源电路，属于微波电路技术领域。
背景技术
随着通信技术的不断发展，宽带频率源希望在实现宽带特性的同时可以兼容细步进特性。目前在宽带频率的实现方式上基本采用DDS和单数字环的结合或者DDS电路、混频环路和开关滤波组件的结合，前一种技术，无法同时兼容细步进和高杂波抑制；第二种技术，产品功耗和体积较大，无法满足当今通信领域内提出的低功耗、小型化要求。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出了一种宽带细步进频率源电路，通过加入倍频滤波模块、DDS电路、低通滤波器、放大器、IQ混频器和90°电桥，使DDS电路输出几百兆赫兹的细步进输出信号来实现压控振荡器的细步进输出信号，通过配置数字鉴相器中的分频比N来实现宽带特性，解决了现有频率源电路同时实现宽带输出和细步进输出时不能小型化的缺点。
本发明解决的技术方案为：一种宽带细步进频率源电路，包括晶体振荡器、数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、IQ混频器、90°电桥、第一放大器、第二放大器、倍频滤波模块、DDS电路和低通滤波器；晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号，将两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号分别送至数字鉴相器和倍频滤波模块，倍频滤波模块将送来的晶体振荡信号进行倍频滤波后产生晶体振荡信号的相应倍频信号送至DDS电路，DDS电路将实现的低频信号输出送至低通滤波器，低通滤波器将DDS送来的低频信号进行低通滤波，滤波后得到一个具有细步进、一定带宽的低频信号送至90°电桥的1端口；
90°电桥2端50Ω负载，1端口将低频信号进行相位处理，最终在3端口和4端口输出两路同频率、等幅度、相位相差90°的I路和Q路信号；90°电桥输出的I路和Q路两路信号最终送至IQ混频器的I端口和Q端口。
数字鉴相器将晶体振荡器送来的晶体振荡信号和第一放大器送来的放大后的信号进行鉴相，当数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第一放大器、第二放大器和IQ混频器组成的环路达到锁定后，将锁定的电压送至环路滤波器，环路滤波器将送来的锁定电压进行积分滤波后产生积分滤波后的锁定电压送至压控振荡器，压控振荡器在积分滤波后的锁定电压控制下，振荡产生两路频率相同、幅度相等的锁定信号，一路作为宽带细步进频率源电路的输出，另一路送至第二放大器，第二放大器将锁定信号功率放大至IQ混频器所需的本振激励电平后，作为IQ混频器所需的本振激励电平。IQ混频器将第二放大器送来的本振信号和90°电桥送来的IQ两路信号进行混频，在IQ混频器的射频端口输出本振信号和90°电桥送来的IQ两路信号的差信号，再经过第一放大器放大，放大后的信号送至数字鉴相器。
所述晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的信号。
通过改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率，能够改变宽带细步进频率源电路的输出频率。
通过改变DDS电路的步进和输出信号，能够改变最终压控振荡器的步进和输出频率。
通过选取不同频率、不同带宽的压控振荡器，能够实现最终频率源电路的频率和宽带信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明电路中加入了DDS电路，通过DDS电路输出几百兆赫兹的细步进输出信号来实现压控振荡器的细步进输出信号，DDS电路可以输出的频率步进在赫兹量级。有效的保证最终压控振荡器输出频率步进也在赫兹量级。
(2)本发明90°电桥输出的IQ两路信号作为频率源电路中IQ混频器所需的中频激励电平，同时利用IQ混频器本振激励电平端口第二放大器的反向隔离特性，对90°电桥输出的信号产生很强的抑制。
(3)本发明的输出频率可调，可以通过以下几种方式进行改变：改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率；改变DDS电路的输出信号来实现最终频率源电路频率输出；改变所述压控振荡器的频率范围。
附图说明
图1是本发明提出的频率源电路框图；
图2是采用本发明设计思路的频率源电路框图；
图3是当90°电桥I端口作为DDS输入时，IQ混频器的射频输出信号。
具体实施方式
本发明的基本思路为：本发明提出一种宽带细步进的频率源电路，包括晶体振荡器、数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、IQ混频器、90°电桥、第一放大器、第二放大器、倍频滤波模块、DDS电路和低通滤波器。本发明在传统的单环数字频率源电路中加入倍频滤波模块、DDS电路、低通滤波器、放大器、IQ混频器和90°电桥，通过DDS输出几百兆赫兹的细步进输出信号来实现压控振荡器的细步进输出信号。通过选择具有宽带特性的压控振荡器来实现宽带频率源电路。发明中采用一种IQ混频器作为射频混频器，该IQ混频器对本振信号和IQ两路信号的差信号进行提取，而对本振信号和IQ两路信号的和信号进行抑制，同时差信号对IQ混频器的本振信号抑制在20dBc以上，很好的保证了IQ混频器射频端口输出的射频信号无需通过极窄带的滤波器进入第一放大器。相比于常用的DDS电路，该电路调试难度低，实现频率精度极高，并且可以小型化。
本发明通过在传统的单环数字锁相电路中加入倍频滤波模块、DDS电路、低通滤波器、90°电桥、IQ混频器和放大器，使其DDS输出几百兆赫兹的细步进输出信号来实现压控振荡器的细步进输出信号。电路中的压控振荡器选取具有宽带特性的压控振荡器来实现宽带频率源电路。解决了现有频率源不能同时兼容细步进和宽带输出的问题。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
附图1给出了本发明一种宽带细步进频率源电路其包括晶体振荡器、数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、IQ混频器、90°电桥、第一放大器、第二放大器、倍频滤波模块、DDS电路和低通滤波器；晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号，将两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号分别送至数字鉴相器和倍频滤波模块，倍频滤波模块将送来的晶体振荡信号进行倍频滤波后产生晶体振荡信号的相应倍频信号送至DDS电路，DDS电路将实现的DDS信号输出送至低通滤波器，低通滤波器将送来的DDS信号进行低通滤波，滤波后得到一个具有细步进、一定带宽的低频信号送至90°电桥的1端口；
90°电桥2端50Ω负载，1端口将低频信号进行相位处理，最终在3端口和4端口输出两路同频率、等幅度、相位相差90°的I路和Q路信号；90°电桥输出的I路和Q路两路信号最终送至IQ混频器的I端口和Q端口。
数字鉴相器将晶体振荡器送来的晶体振荡信号和第一放大器送来的频率和信号进行鉴相，当数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第一放大器、第二放大器和IQ混频器组成的环路达到锁定后，将锁定的电压送至环路滤波器，环路滤波器将送来的锁定电压进行积分滤波后产生积分滤波后的锁定电压送至压控振荡器，压控振荡器在积分滤波后的锁定电压控制下，振荡产生两路频率相同、幅度相等的锁定信号，一路作为宽带细步进频率源电路的输出，另一路送至第二放大器，第二放大器将锁定信号功率放大至IQ混频器所需的本振激励电平后，作为IQ混频器所需的本振激励电平。IQ混频器将第二放大器送来的本振信号和90°电桥送来的IQ两路信号进行混频，在IQ混频器的射频端口输出本振信号和90°电桥送来的IQ两路信号的差信号，再经过第一放大器放大，放大后的信号送至数字鉴相器。
本发明的输出频率可以通过以下几种方式进行改变：
(1)改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率。
(2)改变DDS电路的输出信号来实现最终频率源电路频率输出。
(3)改变所述压控振荡器的频率范围。
本发明所产生的频率源信号的各项指标如：温度稳定度、频率稳定度、频率准确度等主要依赖于晶体振荡器的这些指标。
附图2提供了一个宽带频率源设计实例。
其中将图1中的第一放大器和第二放大器用代替，晶体振荡器用代替，混频器用代替。
具体电路实现的指标如下：
输出频率：2.1GHz-6.1GHz
频率步进：3Hz
跳频时间：＜0.1us
参考频率：100MHz
输出功率:6dBm
鉴相杂波抑制：≥80dBc
相位噪声要求：≤-85dBc/Hz@1kHz
≤-95dBc/Hz@10kHz
≤-105dBc/Hz@100kHz
本发明在实际应用中，晶体振荡器通过振荡产生输出100MHz的参考信号功分为两路，一路作为数字鉴相器的参考信号，一路作为倍频滤波模块的参考信号。倍频滤波模块输出的1GHz信号作为DDS电路的参考信号。其中外部的控制信号控制电路的两个部分，一是控制DDS电路输出；二是控制数字鉴相器内的N分频。首先控制信号控制数字鉴相器内的N分频等于20，控制DDS电路以3Hz为步进输出100MHz-200MHz的信号，这时在环路锁定的状态下，IQ混频器的射频端输出的射频信号为2GHz，而同时压控振荡器输出以3Hz为步进的2.1G-2.2G信号，当控制DDS电路输出最后一个点(即200MHz)的时候，控制信号控制数字鉴相器内的N分频由20变为21，控制DDS电路重新以3Hz为步进输出100MHz-200MHz的信号，这时在环路锁定的状态下，IQ混频器的射频端输出的射频信号为2.1GHz，而同时压控振荡器输出以3Hz为步进的2.2G-2.3G信号，以此类推。该电路可以实现从2.1GHz-6.1GHz的宽带输出，同时步进为3Hz。
IQ混频器和90°电桥几个端口的频谱特性可以通过电路工作中的某个状态进行介绍，当压控振荡器第一路输出2.1G时，压控振荡器另外一路2.1GHz信号经过第二放大器放大后进入IQ混频器的本振端口；DDS电路输出的100MHz进入90°电桥。其中90°电桥的3、4端口接入到IQ混频器的I路和Q路。这时当DDS输出接90°电桥1端口而90°电桥2端口接地时，IQ混频器射频端口的输出频谱如附图3所示，其中附图3中横坐标表示频率输出，纵坐标表示输出功率。即使随着频点的升高，IQ混频器射频端口的输出频谱特性依然和附图3类似。
在实例中IQ混频器的射频信号经过第一放大器放大到合适的功率再进入数字鉴相器。根据数字鉴相器特性，数字鉴相器射频反馈端口的频率信号对杂波抑制在20dBc以上时，就不会出现错锁或者假锁现象。而本发明中，实测对杂波的抑制在25dBc以上，可以满足电路正常工作。
本发明实例中，所用到的部件均采用功能模块。首先采用温补晶体振荡器产生具有高频率稳定度、温度稳定度的100MHz晶体振荡信号，解决了高低温下频率漂移的现象；其次采用了DDS电路产生谐波信号，DDS电路可以是厂家提供的模块。所有的电路经过合理的布局设计，可以为宽带接收机、发射机提供本振频率源信号。本发明调试难度低，安全性高，可以很好的应用在星载通信系统中。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (8)
1.一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：包括晶体振荡器、数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、IQ混频器、90°电桥、第一放大器、第二放大器、倍频滤波模块、DDS电路和低通滤波器；
90°电桥，包括：1端口，即输入端口、2端口，即隔离端口、3端口，即直通端口和4端口，即耦合端口；2端口接50Ω负载，从1端口输入低频信号，则能够从3端口和4端口输出两路同频率、等幅度、相位相差90°的I路和Q路信号；
晶体振荡器通过振荡产生输出两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号，将两路频率相同、幅度相等的晶体振荡信号分别送至数字鉴相器和倍频滤波模块；
倍频滤波模块将送来的晶体振荡信号进行倍频滤波后产生晶体振荡信号的倍频信号送至DDS电路，DDS电路从外部接收外部送来的数字控制信号，DDS电路在外部数字控制信号的控制下将倍频信号经过相位累加和数模转换生成低频信号输出送至低通滤波器；
低通滤波器将DDS送来的低频信号进行低通滤波，滤波后得到一个具有细步进、一定带宽的低频信号送至90°电桥的1端口；
90°电桥将低频信号进行相位处理和分路，最终在90°电桥的3端口和4端口输出两路同频率、等幅度、相位相差90°的I路和Q路信号；90°电桥输出的I路和Q路两路信号分别送至IQ混频器的I端口和Q端口；
数字鉴相器，从外部接收数字控制信号，数字鉴相器在外部的数字信号控制下，将晶体振荡器送来的晶体振荡信号和第一放大器送来的放大后的信号进行鉴相，当数字鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、第一放大器、第二放大器和IQ混频器器组成的环路达到锁定后，将数字鉴相器输出的相位差电压，即锁定电压送至环路滤波器，环路滤波器将送来的锁定电压进行积分滤波后产生积分滤波后的锁定电压送至压控振荡器，压控振荡器在积分滤波后的锁定电压控制下，振荡产生两路频率相同、幅度相等的锁定信号，一路锁定信号作为宽带细步进频率源电路的输出，另一路锁定信号送至第二放大器，第二放大器将锁定信号功率放大至IQ混频器所需的本振激励电平后，作为IQ混频器所需的本振激励电平，即IQ混频器的本振信号，送至IQ混频器的本振端口，IQ混频器将第二放大器送来的本振信号和90°电桥送来的IQ两路信号进行混频，在IQ混频器的射频端口输出本振信号和90°电桥送来的IQ两路信号的差信号，再经过第一放大器放大，放大后的信号送至数字鉴相器。
2.根据权利要求1所述的一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：通过改变所述晶体振荡器的振荡输出信号频率，能够改变宽带细步进频率源电路的输出频率，满足以下公式：Fout＝Fref×(N÷R)-Fdds；
式中，Fdds代表DDS电路输出的宽带细步进信号频率；Fout代表压控振荡器输出的锁定信号频率；Fref代表晶体振荡器的输出频率；R代表数字鉴相器内部的R分频；N代表数字鉴相器内部的N分频；数字鉴相器内部包括R分频、N分频、参考输入端口和射频反馈端口。
3.根据权利要求1所述的一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：通过改变DDS电路的输出的宽带细步进信号频率，能够改变最终压控振荡器的输出的锁定信号频率；满足以下公式：Fout＝Fref×(N÷R)-Fdds；
式中，Fdds代表DDS电路输出的宽带细步进信号频率；Fout代表压控振荡器输出的锁定信号频率；Fref代表晶体振荡器的输出频率；R代表数字鉴相器内部的R分频；N代表数字鉴相器内部的N分频；数字鉴相器内部包括R分频和N分频。
4.根据权利要求1所述的一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：通过选取不同频率、不同带宽的压控振荡器，能够实现最终频率源电路的频率和宽带信号。
5.根据权利要求1所述的一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：低通滤波器将DDS送来的低频信号进行低通滤波，滤波后得到一个具有细步进、一定带宽的低频信号的带宽满足0～倍频滤波模块的输出频率乘以40％，步进为3Hz以上，频率满足小于倍频滤波模块的输出频率乘以40％。
6.根据权利要求1所述的一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：DDS电路从外部接收外部送来的数字控制信号，该控制信号能够控制DDS电路的内部寄存器输出要求的细步进信号，即低频信号。
7.根据权利要求1所述的一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：数字鉴相器从外部接收数字控制信号，能够控制数字鉴相器的内部寄存器改变数字鉴相器的分频比N和分频比R。
8.根据权利要求1所述的一种宽带细步进频率源电路，其特征在于：压控振荡器输出锁定信号和环路滤波器输出的锁定电压满足正斜率的关系。
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