CN107947790A - 一种宽带细步进低噪声频率源 - Google Patents

一种宽带细步进低噪声频率源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带细步进低噪声频率源，包含小步进低杂散参考电路、低相噪本振电路、宽带锁相环电路，小步进低杂散参考电路的输出通过带通滤波器2连接宽带锁相环电路，宽带锁相环电路包含鉴相器2、环路滤波器2、压控振荡器2、分频器M、混频器2，所述带通滤波器2、环路滤波器2、压控振荡器2依次连接，所述压控振荡器2的输出信号，作为宽带细步进低噪声频率源的输出；所述压控振荡器2的输出信号和低相噪本振电路的输出，连接到混频器2；所述混频器2的输出连接至分频器M的输入，所述分频器M的输出连接至鉴相器2的反馈端。通过本发明，优化了相位噪声和杂散指标参数性能。

Description

一种宽带细步进低噪声频率源
技术领域
本发明涉及信号领域，尤其涉及一种宽带细步进低噪声频率源。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，频率合成器的研究和应用显得越来越重要，尤其是在卫星通信、雷达定位、电子对抗等国防领域得到了更广泛的应用，其性能的好坏直接影响着整个通信系统性能的好坏，这就对频率合成器提出了更高的要求。ka 频段的宽带低杂散低相噪频率合成器是新一代卫星通信的关键技术，也是我国卫星通信需要突破的关键技术，因此 ka 频段的宽带低杂散低相噪频率合成器的研制对我国的卫星通信具有很重要的意义。
但是，目前的宽带低杂散低相噪频率合成器，普遍存在的问题是，相位噪声、杂散指标的问题十分突出。
为了解决上述问题，本发明提出一种宽带细步进低噪声频率源。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种宽带细步进低噪声频率源，所述宽带细步进低噪声频率源包含小步进低杂散参考电路、低相噪本振电路、宽带锁相环电路，
所述小步进低杂散参考电路的输出通过带通滤波器2连接宽带锁相环电路，
所述宽带锁相环电路包含鉴相器2、环路滤波器2、压控振荡器2、分频器M、混频器2，所述带通滤波器2、环路滤波器2、压控振荡器2依次连接，
所述压控振荡器2的输出信号，作为宽带细步进低噪声频率源的输出；
所述压控振荡器2的输出信号和低相噪本振电路的输出，连接到混频器2；
所述混频器2的输出连接至分频器M的输入，所述分频器M的输出连接至鉴相器2的反馈端。
优选的，所述低相噪本振电路包含低噪声晶振2、倍频器P、带通滤波器3；
所述低噪声晶振2、倍频器P、带通滤波器3依次连接，所述带通滤波器3的输出信号，作为低相噪本振电路的输出。
优选的，所述小步进低杂散参考电路包括低噪声晶振1、功分器、倍频器S、带通滤波器1、直接数字频率合成器、混频器1、分配器N、鉴相器1、环路滤波器1、压控振荡器1、分配器Q；
所述低噪声晶振1与功分器的输入端相连，功分器的输出端分别连接至倍频器S、鉴相器1的输入端；
所述倍频器S、带通滤波器1、直接数字频率合成器依次相连；直接数字频率合成器的输出端连接至混频器1的输入端；
所述鉴相器1、环路滤波器1、压控振荡器1依次连接；所述压控振荡器1的输出端连接至混频器1的输入端和所述分频器Q的输入端，所述分频器Q的输出端连接至鉴相器1的反馈端。
优选的，所述低相噪本振电路还包含低噪声放大电路，所述低噪声放大电路设置于低噪声晶振2和倍频器P之间。
优选的，所述倍频器包含低噪声倍频电路和高次倍频电路，所述低噪声晶振2、低噪声倍频电路、高次倍频电路、带通滤波器3依次连接。
优选的，所述倍频器包含低噪声倍频电路和高次倍频电路，所述低噪声晶振2、低噪声倍频电路、带通滤波器3、高次倍频电路、带通滤波器3依次连接。
优选的，所述低噪声放大电路包含电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、三极管Q1、电感L2；所述低噪声晶振2连接电阻R1的第2端、电阻R2的第1端、三极管Q1的基极，电阻R2的第2端接地；电阻R1的第1端与三极管Q1的集电极、电容C4的第1端、电阻R4的第1端、电感L2的第1端相连；电容C4的第2端、电阻R4的第2端接地；三极管Q1的发射极连接至电阻R3的第1端、电容C3的第1端；电阻R3的第2端、电容C3的第2端接地；电感L2的第2端连接至电阻R5的第1端、电容C5的第1端；电阻R5的第2端、电容C5的第2端接地；所述电感L2的第2端连接至低噪声倍频电路的输入端。
优选的，所述低噪声倍频电路包含二极管D2、二极管D3，所述二极管D2的第1端与二极管D3的第2端相连；所述二极管D2的第2端与二极管D3的第1端相连；所述低噪声放大电路的输出端连接至二极管D2的第1端；所述二极管D2的第2端作为低噪声倍频电路的输出端。
优选的，所述带通滤波器3包含电感L4、电感L5、电感L6、电容C6、电容C7、电容C8；
所述电感L4的第1端、电容C6的第1端、电容C7的第1端、电感L5的第1端相连，作为带通滤波器3的输入端；电容C6的第2端和电感L4的第2端接地；电容C7的第2端、电感L5的第2端相连，电感L5的第2端与电容C8的第1端、电感L6的第1端相连，电容C8的第2端、电感L6的第2端接地；电容C8的第1端作为带通滤波器3的输入端。
优选的，所述高次倍频电路包含运算放大器、电容C1、电容C2、电感L1、二极管D1，所述高次倍频电路的输入端连接至运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接至电容C1的第1端、电感L1的第1端；所述电感L1的第2端连接至电容C2、二极管D1的第1端相连；所述电容C1的第2端、电容C2的第2端、二极管D1的第2端接地，所述二极管D1的第1端作为高次倍频电路的输出端。
本发明的有益效果在于：宽带低杂散低相噪频率合成器和国外同类产品相比而言，相位噪声优于同类产品3-5dB，杂散指标优于同类产品5-10dB。本发明的技术方案解决了宽带频率合成器的小步进跳频、低杂散和低相噪的技术难题，克服了现有的频率合成器只能做到窄带范围内的小步进跳频、低杂散和低相噪问题。所述低相噪本振电路通过三极管搭建低噪声放大电路和传统的集成放大器电路相比，保证信号经过放大之后噪声不会恶化，后经过底噪良好的硅二极管倍频电路将信号倍频放大，然后滤波放大，再通过谐波倍频电路选出所需信号经过腔体滤波器滤波放大，就得到了低相位噪声的本振电路，保证了频率合成器输出信号的低相噪指标要求。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是低相噪本振电路原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种宽带细步进低噪声频率源，所述宽带细步进低噪声频率源包含小步进低杂散参考电路、低相噪本振电路、宽带锁相环电路，
所述小步进低杂散参考电路的输出通过带通滤波器2连接宽带锁相环电路，
所述宽带锁相环电路包含鉴相器2、环路滤波器2、压控振荡器2、分频器M、混频器2，所述带通滤波器2、环路滤波器2、压控振荡器2依次连接，
所述压控振荡器2的输出信号，作为宽带细步进低噪声频率源的输出；
所述压控振荡器2的输出信号和低相噪本振电路的输出，连接到混频器2；
所述混频器2的输出连接至分频器M的输入，所述分频器M的输出连接至鉴相器2的反馈端。
优选的，所述低相噪本振电路包含低噪声晶振2、倍频器P、带通滤波器3；
所述低噪声晶振2、倍频器P、带通滤波器3依次连接，所述带通滤波器3的输出信号，作为低相噪本振电路的输出。
优选的，所述小步进低杂散参考电路包括低噪声晶振1、功分器、倍频器S、带通滤波器1、直接数字频率合成器、混频器1、分配器N、鉴相器1、环路滤波器1、压控振荡器1、分配器Q；
所述低噪声晶振1与功分器的输入端相连，功分器的输出端分别连接至倍频器S、鉴相器1的输入端；
所述倍频器S、带通滤波器1、直接数字频率合成器依次相连；直接数字频率合成器的输出端连接至混频器1的输入端；
所述鉴相器1、环路滤波器1、压控振荡器1依次连接；所述压控振荡器1的输出端连接至混频器1的输入端和所述分频器Q的输入端，所述分频器Q的输出端连接至鉴相器1的反馈端。
Ka频段的宽带低杂散低相噪锁相频率合成器，主要有三个部分组成：小步进参考电路、低相噪本振电路、宽带锁相环电路。其功能是产生一个宽带细步进低相噪的跳频信号。工作原理是：小步进参考电路产生一个小步进的参考信号，供宽带锁相环电路锁相倍频产生一个宽带小步进信号；为了保证其相位噪声，采用环内插入混频的方案，将fout和低噪声电路产生的二本振fLO2进行混频，使fout下变频到一个低频信号，因此可以大大降低宽带锁相环电路的分频比，根据相位噪声计算公式PN=Phase Noise Floor +10logFPD+20logN可知，当分频比N大大降低时，其相位噪声将会大大改善。
对于低杂散参考电路，小步进主要由宽带锁相环电路参考信号Ref1的跳频步进决定，而Ref1参考信号的跳频步进是由DDS信号决定，DDS可以实现Hz级别的精确跳频。虽然DDS能实现Hz级别的小步进精确跳频和低相噪的要求，但是DDS的杂散信号非常丰富，尤其是在经过锁相环电路倍频后，杂散恶化非常严重，导致频综输出的信号频谱纯度非常不干净严重影响用户使用，因此为了保证宽带锁相环电路输出信号的频谱纯度比较干净，则参考信号必须频谱纯度非常干净，因此采用将DDS信号和一个本振信号混频，再分频的方案来实现参考信号Ref1的小步进和低杂散。
小步进低杂散参考电路是用来给宽带锁相环电路提供一个可调的、超低杂散的基准信号，用来锁相倍频产生一个宽带低杂散跳频信号。
低杂散参考电路的工作原理：将晶振输出的100MHz信号倍频产生一个1GHz信号作为DDS的时钟信号Ref1，DDS根据需要输出相应的跳频信号fDDS。因为DDS输出的信号杂散比较多，为了保证频率合成器输出信号频谱纯度比较干净，杂散信号比较小，将DDS输出信号fDDS和一本振信号fLO1混频，将DDS信号上变频到高频信号f1，然后将高频信号f1分频、滤波得到一个低杂散的参考信号Ref2，供宽带锁相环电路做参考频率。
小步进低杂散电路的功能：实现参考信号的小步进和低杂散特性，保证了频率合成器能够实现宽带范围内的跳频和宽带信号的低杂散特性。fDDS和一本振信号fLO1混频后将DDS信号推向高频，根据分频器原理可知将信号分频后，杂散信号会按照20logN（dB）衰减，可以大大降低DDS信号的杂散特性，从而保证了宽带锁相环电路输出信号的低杂散特性，使其杂散抑制度达到-80dBc，高于同类国内外产品5-10dB。
对于ka频段宽带小步进低相噪频率合成器的低相位噪声，主要由以下三个方面决定：
1、参考信号Ref2
参考信号Ref2的相位噪声，参考信号Ref2是由本振信号1和DDS信号混频再分频产生，而本振1是S频段的点频信号，相位噪声比DDS信号好，因此混频后的相位噪声由DDS信号决定，DDS信号自身相位噪声比较好在-123dBc/Hz@100Hz；-133dBc/Hz@1kHz；-143dBc/Hz@10kHz；-153dBc/Hz@10kHz，经过混频分频后相位噪声会得到很大改善，但是分频器的低噪决定了输出参考信号的相位噪声为为-147dBc/Hz@100Hz；-150dBc/Hz@1kHz；-150dBc/Hz@10kHz；-150dBc/Hz@10kHz；
2、宽带锁相环电路分频比M
对于锁相环电路而言，分频比越大相位噪声呈20logN（dB）恶化，因此VCO输出的ka信号和本振二信号LO2混频，下变频到一个低频信号，这样就会大大降低分频比N值，从而降低相位噪声；
3、低相噪本振LO2
采用内插式锁相环电路，相位噪声的好坏不仅仅取决于锁相环电路的分频比，还取决于和VCO输出信号混频的LO2信号的相位噪声，因此通过降低LO2的相位噪声来改善宽带锁相环电路的噪声。
如图2，所述低相噪本振电路还包含低噪声放大电路，所述低噪声放大电路设置于低噪声晶振2和倍频器P之间。优选的，所述倍频器包含低噪声倍频电路和高次倍频电路，所述低噪声晶振2、低噪声倍频电路、高次倍频电路、带通滤波器3依次连接。优选的，所述倍频器包含低噪声倍频电路和高次倍频电路，所述低噪声晶振2、低噪声倍频电路、带通滤波器3、高次倍频电路、带通滤波器3依次连接。
优选的，所述低噪声放大电路包含电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、三极管Q1、电感L2；所述低噪声晶振2连接电阻R1的第2端、电阻R2的第1端、三极管Q1的基极，电阻R2的第2端接地；电阻R1的第1端与三极管Q1的集电极、电容C4的第1端、电阻R4的第1端、电感L2的第1端相连；电容C4的第2端、电阻R4的第2端接地；三极管Q1的发射极连接至电阻R3的第1端、电容C3的第1端；电阻R3的第2端、电容C3的第2端接地；电感L2的第2端连接至电阻R5的第1端、电容C5的第1端；电阻R5的第2端、电容C5的第2端接地；所述电感L2的第2端连接至低噪声倍频电路的输入端。
优选的，所述低噪声倍频电路包含二极管D2、二极管D3，所述二极管D2的第1端与二极管D3的第2端相连；所述二极管D2的第2端与二极管D3的第1端相连；所述低噪声放大电路的输出端连接至二极管D2的第1端；所述二极管D2的第2端作为低噪声倍频电路的输出端。
优选的，所述带通滤波器3包含电感L4、电感L5、电感L6、电容C6、电容C7、电容C8；
所述电感L4的第1端、电容C6的第1端、电容C7的第1端、电感L5的第1端相连，作为带通滤波器3的输入端；电容C6的第2端和电感L4的第2端接地；电容C7的第2端、电感L5的第2端相连，电感L5的第2端与电容C8的第1端、电感L6的第1端相连，电容C8的第2端、电感L6的第2端接地；电容C8的第1端作为带通滤波器3的输入端。
优选的，所述高次倍频电路包含运算放大器、电容C1、电容C2、电感L1、二极管D1，所述高次倍频电路的输入端连接至运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接至电容C1的第1端、电感L1的第1端；所述电感L1的第2端连接至电容C2、二极管D1的第1端相连；所述电容C1的第2端、电容C2的第2端、二极管D1的第2端接地，所述二极管D1的第1端作为高次倍频电路的输出端。
低相噪本振电路的工作原理：将超低相噪100MHz的恒温晶振通过低噪声放大电路进行放大，再通过硅二极管低噪声倍频电路倍频产生一个1GHz信号，经过滤波、放大、SRD高次倍频电路倍频后将晶振信号倍频到10GHz，经过一个腔体滤波器滤出谐波信号，输出一个超低相噪的LO2信号。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述宽带细步进低噪声频率源包含小步进低杂散参考电路、低相噪本振电路、宽带锁相环电路，
所述小步进低杂散参考电路的输出通过带通滤波器2连接宽带锁相环电路，
所述宽带锁相环电路包含鉴相器2、环路滤波器2、压控振荡器2、分频器M、混频器2，所述带通滤波器2、环路滤波器2、压控振荡器2依次连接，
所述压控振荡器2的输出信号，作为宽带细步进低噪声频率源的输出；
所述压控振荡器2的输出信号和低相噪本振电路的输出，连接到混频器2；
所述混频器2的输出连接至分频器M的输入，所述分频器M的输出连接至鉴相器2的反馈端。
2.一种如权利要求1所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述低相噪本振电路包含低噪声晶振2、倍频器P、带通滤波器3；
所述低噪声晶振2、倍频器P、带通滤波器3依次连接，所述带通滤波器3的输出信号，作为低相噪本振电路的输出。
3.一种如权利要求1所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述小步进低杂散参考电路包括低噪声晶振1、功分器、倍频器S、带通滤波器1、直接数字频率合成器、混频器1、分配器N、鉴相器1、环路滤波器1、压控振荡器1、分配器Q；
所述低噪声晶振1与功分器的输入端相连，功分器的输出端分别连接至倍频器S、鉴相器1的输入端；
所述倍频器S、带通滤波器1、直接数字频率合成器依次相连；直接数字频率合成器的输出端连接至混频器1的输入端；
所述鉴相器1、环路滤波器1、压控振荡器1依次连接；所述压控振荡器1的输出端连接至混频器1的输入端和所述分频器Q的输入端，所述分频器Q的输出端连接至鉴相器1的反馈端。
4.一种如权利要求2所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述低相噪本振电路还包含低噪声放大电路，所述低噪声放大电路设置于低噪声晶振2和倍频器P之间。
5.一种如权利要求4所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述倍频器包含低噪声倍频电路和高次倍频电路，所述低噪声晶振2、低噪声倍频电路、高次倍频电路、带通滤波器3依次连接。
6.一种如权利要求4所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述倍频器包含低噪声倍频电路和高次倍频电路，所述低噪声晶振2、低噪声倍频电路、带通滤波器3、高次倍频电路、带通滤波器3依次连接。
7.一种如权利要求5或6所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述低噪声放大电路包含电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、三极管Q1、电感L2；所述低噪声晶振2连接电阻R1的第2端、电阻R2的第1端、三极管Q1的基极，电阻R2的第2端接地；电阻R1的第1端与三极管Q1的集电极、电容C4的第1端、电阻R4的第1端、电感L2的第1端相连；电容C4的第2端、电阻R4的第2端接地；三极管Q1的发射极连接至电阻R3的第1端、电容C3的第1端；电阻R3的第2端、电容C3的第2端接地；电感L2的第2端连接至电阻R5的第1端、电容C5的第1端；电阻R5的第2端、电容C5的第2端接地；所述电感L2的第2端连接至低噪声倍频电路的输入端。
8.一种如权利要求7所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述低噪声倍频电路包含二极管D2、二极管D3，所述二极管D2的第1端与二极管D3的第2端相连；所述二极管D2的第2端与二极管D3的第1端相连；所述低噪声放大电路的输出端连接至二极管D2的第1端；所述二极管D2的第2端作为低噪声倍频电路的输出端。
9.一种如权利要求8所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述带通滤波器3包含电感L4、电感L5、电感L6、电容C6、电容C7、电容C8；
所述电感L4的第1端、电容C6的第1端、电容C7的第1端、电感L5的第1端相连，作为带通滤波器3的输入端；电容C6的第2端和电感L4的第2端接地；电容C7的第2端、电感L5的第2端相连，电感L5的第2端与电容C8的第1端、电感L6的第1端相连，电容C8的第2端、电感L6的第2端接地；电容C8的第1端作为带通滤波器3的输入端。
10.一种如权利要求9所述的宽带细步进低噪声频率源，其特征在于，所述高次倍频电路包含运算放大器、电容C1、电容C2、电感L1、二极管D1，所述高次倍频电路的输入端连接至运算放大器的输入端，运算放大器的输出端连接至电容C1的第1端、电感L1的第1端；所述电感L1的第2端连接至电容C2、二极管D1的第1端相连；所述电容C1的第2端、电容C2的第2端、二极管D1的第2端接地，所述二极管D1的第1端作为高次倍频电路的输出端。
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