CN111106830B - 一种快速捷变的宽带频率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及一种快速捷变的宽带频率合成器，应用于无线超外差通信设备的本振或射频激励信号，本发明的频率合成器的快速换频由第一集成锁相环和第二集成锁相环交替工作完成，每个集成锁相环的频率锁定过程提前预置完成，因而系统换频时间由第一射频开关切换时间和微带滤波器换频时间决定，第一射频开关切换时间小于1μs，微带滤波器换频时间小于10μs，频率合成器换频时间可达到10μs以内。结合第三集成锁相环，系统输出频率范围为30MHz～7GHz，频率范围宽，换频时间小于10μs，转换时间短，能满足宽频段高速跳频系统的应用要求。

Description

一种快速捷变的宽带频率合成器

技术领域

本发明属于通信系统技术领域，尤其涉及一种快速捷变的宽带频率合成器，应用于无线超外差通信设备的本振或射频激励信号。

背景技术

频率合成器是电子仪器设备、通信系统的核心部件，是决定系统性能的关键设备或部件。迄今为止,共出现过三种频率合成技术,分别是直接合成技术(DS)、锁相合成技术(PLL)和直接数字合成技术(DDS)。DS频率合成器体积大、成本高，输出寄生频率的数量多，限制性大。PLL具有输出频率高、频带宽、杂散性能好的特点,但是由于决定其输出分辨率的参考频率大小直接影响输出频率性能的好坏及频率转换时间，很难满足要求分辨率高、转换时间快的系统，采用小数分频可以解决这个问题,但是又引入了小数杂散。DDS具有分辨率高,转换速度快等优点，但由于采用了全数字的结构，输出频率不高，杂散分量多，应用范围受限。

PLL和DDS技术有着各自的优缺点,将这两种技术结合起来,可达到取长补短，提高频率合成器性能，成为目前主要的设计方法。但是随着应用需求和通信电子技术的发展，对测量仪器、通信设备也有了新的要求，如要求设备集成度高、频段宽、抗干扰能力强，这将对设备的频率合成器提出更高要求，如输出频率范围宽、频率捷变时换频时间短，相位噪声、杂散性能优良。目前的频率合成技术仍然存在换频时间长的问题，要缩短换频时间又造成噪声性能下降，同时频率范围不够宽，无法满足宽频段本振或射频输出需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种快速捷变的宽带频率合成器，本发明通过设计三个锁相环进行频率合成，其中，工作频率为30MHz～3GHz范围时，采用前两个锁相环交替工作，提前预置锁定，通过电子开关切换直接输出，第三个锁相环路及混频电路不参与工作。工作频率为3GHz～7GHz范围时，前两个锁相环交替工作输出信号(1GHz～3GHz)与第三个锁相环输出固定频率(4GHz)信号混频输出宽频段(3GHz～7GHz)射频信号。因此该频率合成器可输出30MHz～7GHz频率范围的信号，换频时间小于10μs，具有频率范围宽、锁定时间短、相位噪声低、杂散性能优良等特点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种快速捷变的宽带频率合成器，包括：标准频率生成器、控制器、第一集成锁相环、第二集成锁相环、第三集成锁相环、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器、混频器、低通滤波器、带通滤波器、微带滤波器；

所述标准频率生成器生成基准频率信号，并将其分别输送给第一集成锁相环、第二集成锁相环、第三集成锁相环、控制器，所述控制器根据基准频率信号和所需的本振或射频信号的工作频率分别对第一集成锁相环、第二集成锁相环、第三集成锁相环、微带滤波器和射频开关送入对应的频率控制字、时钟和控制信号；

所述第一集成锁相环和第二集成锁相环根据各自接收到的频率控制字、时钟、控制信号进行交替锁定，并采用第一射频开关切换输出对应集成锁相环锁定的连续低频信号；所述第一射频开关输出的连续低频信号依次经过第一射频放大器和低通滤波器后，得到滤除谐波的频率信号；

当所需工作频率在[30MHz,3GHz]范围内时，所述滤除谐波的频率信号通过第二射频开关切换进行低频输出；

当所需工作频率在[3GHz,7GHz]范围内时，所述滤除谐波的频率信号通过第二射频开关切换输出至混频器；同时，所述第三集成锁相环根据接收到的频率控制字、时钟、控制信号锁定并输出固定高频信号；所述固定高频信号依次经过第二射频放大器和带通滤波器后，得到滤除谐波降噪的频率信号；所述滤除谐波降噪的频率信号送入混频器与所述滤除谐波的频率信号进行混频处理，输出宽频段本振或射频激励信号；

所述宽频段本振或射频激励信号经过第三射频放大器进行信号放大后再经过微带滤波器滤除谐波、带外杂散分量和噪声后，输出高频本振或射频激励信号。

进一步地，所述低频输出和高频本振或射频激励信号通过第三射频开关进行切换输出，使频率合成器的输出为30MHz-7GHz的宽频段连续输出。

进一步地，所述第一集成锁相环、第二集成锁相环和第三集成锁相环分别包含内部集成的鉴相器、泵电路、压控振荡器、功分器、分频器集成和外部环路滤波器；所述分频器包含R分频器、N分频器和输出分频器。

更进一步地，标准频率信号进入R分频器进行分频后产生基准信号；压控振荡器产生的载频信号依次经过功分器和N分频器进行N前置分频，得到分频信号；所述基准信号和分频信号分别进入鉴相器进行鉴频鉴相后，产生泵电流；泵电流进入外部环路滤波器进行运放放大后，作为压控振荡器的调谐电压，控制压控振荡器的输出频率；当所需输出频率较高时，由压控振荡器直接输出；当所需输出频率较低时，压控振荡器的输出信号进入输出分频器进行分频，得到低频率信号，并由输出分频器输出该低频信号。

更进一步地，所述第一集成锁相环和第二集成锁相环内部的压控振荡器的输出频率为1500MHz～3000MHz。

更进一步地，所述第三集成锁相环内部的压控振荡器的输出频率为2200MHz～4400MHz。

进一步地，所述第一射频放大器为低噪声宽频段射频放大器。

进一步地，所述第二射频放大器和第三射频放大器为低噪声高线性射频放大器。

进一步地，所述第一集成锁相环与第一射频开关之间设置有第一隔离开关；所述第二集成锁相环与第一射频开关之间设置有第二隔离开关。

进一步地，还包括电源管理器，用于将外部输入电压转换为+3.3V或+5V，作为控制器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器、第一集成锁相环、第一集成锁相环、第一集成锁相环的供电电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明设计的频率合成器输出频率范围为30MHz～7GHz，频率范围宽，锁定时间小于10μs，换频时间快，能满足宽频段高速跳频系统的应用要求。此外，本发明的相位噪声小于-85dBc/Hz(偏离主频谱10kHz处)，杂散水平达到-80dBc，实现了低噪声、低杂散。该频率合成器非常适合高性能通信系统应用环境，可应用于生成任意频段本振或射频信号，具有频率转换时间短、频率范围宽，相位噪声和杂散指标高的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明实施例提供的一种快速捷变的宽带频率合成器的电路框图示意图；

图2是本发明实施例中第一集成锁相环、第二集成锁相环和第三集成锁相环的工作原理示意图。

以上图中，1标准频率生成器；2第一集成锁相环；3第一隔离开关；4第二集成锁相环；5第二隔离开关；6第一射频开关；7第一射频放大器；8低通滤波器；9第二射频开关；10第三集成锁相环；11第二射频放大器；12带通滤波器；13混频器；14第三射频放大器；15微带滤波器；16第三射频开关；17控制器；18电源管理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参考图1，本发明提出一种快速捷变的宽带频率合成器，包括：标准频率生成器1、控制器17、第一集成锁相环2、第二集成锁相环4、第三集成锁相环10、第一射频放大器7、第二射频放大器11、第三射频放大器14、混频器13、低通滤波器8、带通滤波器12、微带滤波器15；

所述标准频率生成器1生成基准频率信号，并将其分别输送给第一集成锁相环2、第二集成锁相环4、第三集成锁相环10、控制器17，所述控制器17根据基准频率信号和所需的本振或射频信号的工作频率分别对第一集成锁相环2、第二集成锁相环4、第三集成锁相环10、微带滤波器15和射频开关送入对应的频率控制字、时钟和控制信号；

所述第一集成锁相环2和第二集成锁相环4根据各自接收到的频率控制字、时钟、控制信号进行交替锁定，并采用第一射频开关6切换输出对应集成锁相环锁定的连续低频信号；所述第一射频开关6输出的连续低频信号依次经过第一射频放大器7和低通滤波器8后，得到滤除谐波的频率信号；

当所需工作频率在[30MHz,3GHz)范围内时，所述滤除谐波的频率信号通过第二射频开关9切换进行低频输出；

当所需工作频率在[3GHz,7GHz]范围内时，所述滤除谐波的频率信号通过第二射频开关9切换输出至混频器13；同时，所述第三集成锁相环10根据接收到的频率控制字、时钟、控制信号锁定并输出固定高频信号；所述固定高频信号依次经过第二射频放大器11和带通滤波器12后，得到滤除谐波降噪的频率信号；所述滤除谐波降噪的频率信号送入混频器13与所述滤除谐波的频率信号进行混频处理，输出宽频段本振或射频激励信号；

所述宽频段本振或射频激励信号经过第三射频放大器14进行信号放大后再经过微带滤波器15滤除谐波、带外杂散分量和噪声后，输出高频本振或射频激励信号。

在以上实施例中，标准频率生成器1产生25.6MHz的基准频率信号，分别送给第一集成锁相环2、第二集成锁相环4、第三集成锁相环10，第一集成锁相环2、第二集成锁相环4交替锁定，采用射频电子开关切换输出，当第一集成锁相环2环路接通输出时，第二集成锁相环4环路进行鉴相、频率合成，第一集成锁相环2和第二集成锁相环4一个接通时，另一个就进行鉴相、频率合成，也就是说，两者其中一个的锁相环路可以允许锁定较长时间，只要在另一个锁相环路接通工作时间段内锁定即可，这样可以允许环路滤波器设计成窄带滤波器，滤除环路杂散和噪声，提升频率合成器性能。由于此处采用两个环路，系统频率合成器换频时间即为第一射频开关6的切换时间，可达到1μs以内。第三集成锁相环10输出固定频率4GHz，相位噪声和杂散性能可以设计很高。第一集成锁相环2和第二集成锁相环4交替输出与第三集成锁相环10输出信号混频，可实现宽频段频率信号输出，再经微带滤波器15滤除谐波和杂散，输出最终本振或射频激励信号，频率精确度和稳定度与频率合成器中的温补晶振相同。

本发明的频率合成器的快速换频由第一集成锁相环2和第二集成锁相环4交替工作完成，每个集成锁相环的频率锁定过程提前预置完成，因而系统换频时间由第一射频开关6切换时间和微带滤波器15换频时间决定，第一射频开关6切换时间小于1μs，微带滤波器15换频时间小于10μs，频率合成器换频时间可达到10μs以内。

控制器17根据需要的本振或射频信号工作频率分别对第一集成锁相环2、第二集成锁相环4、第三集成锁相环10、微带滤波器15和第一射频开关6、第二射频开关9和第三射频开关16送入控制频率字、时钟、使能信号或控制信号。

参考图1，本发明的一个实施例，所述第一集成锁相环2与第一射频开关6之间设置有第一隔离开关3；所述第二集成锁相环4与第一射频开关6之间设置有第二隔离开关5，用于增加第一集成锁相环2和第二集成锁相环4这两路环路输出信号之间的隔离度。

参照图2，根据本发明的一个实施例，所述第一集成锁相环2、第二集成锁相环4和第三集成锁相环10分别包含内部集成的鉴相器、泵电路、压控振荡器、功分器、分频器集成和外部环路滤波器；所述分频器包含R分频器、N分频器和输出分频器。标准频率信号进入R分频器进行分频后产生基准信号；压控振荡器产生的载频信号依次经过功分器和N分频器进行N前置分频，得到分频信号；所述基准信号和分频信号分别进入鉴相器进行鉴频鉴相后，产生泵电流；泵电流进入外部环路滤波器进行运放放大后，作为压控振荡器的调谐电压，控制压控振荡器的输出频率；当所需输出频率较高时，由压控振荡器直接输出；当所需输出频率较低时，压控振荡器的输出信号进入输出分频器进行分频，得到低频率信号，并由输出分频器输出该低频信号；所述第一集成锁相环2和第二集成锁相环4内部的压控振荡器的输出频率为1500MHz～3000MHz；所述第三集成锁相环10内部的压控振荡器的输出频率为2200MHz～4400MHz。

以上实施例中，第一集成锁相环2、第二集成锁相环4和第三集成锁相环10中任一集成锁相环包含内部集成的鉴相器、泵电路、压控振荡器、功分器、分频器和外部环路滤波器。标频信号经R分频器分频后产生的基准信号与压控振荡器(VCO)产生的载频f₀信号经N前置分频后的信号进行鉴频鉴相，产生的泵电流(即鉴相电压CP)进入环路滤波器，经过运放放大作为压控振荡器的调谐电压(VTune)，从而控制VCO的输出频率，当所需输出频率较高时，由VCO直接输出，当所需输出频率较低时，VCO输出信号经集成锁相环内部输出分频器分频得到低频率信号。集成锁相环也可由一般频率合成器外接VCO实现，实现不同频率范围的射频信号输出。

第一集成锁相环2、第二集成锁相环4由集成电路HMC832集成锁相环芯片及外围电路组成，HMC832内部集成鉴频鉴相器、电荷泵、分频器以及VCO等，VCO输出频率为1500MHz～3000MHz，由于芯片内部集成输出分频器，所以可实现25MHz～3000MHz的频率信号输出。

第三集成锁相环10由集成电路ADF4351集成锁相环芯片及外围电路组成，ADF4351内部集成鉴频鉴相器、电荷泵、分频器以及VCO等，VCO输出频率为2200MHz～4400MHz，由于芯片内部集成输出分频器，所以可实现35MHz～4400MHz的频率信号输出。

第一集成锁相环2、第二集成锁相环4、第三集成锁相环10的内部的鉴频鉴相器既作鉴频器用又作鉴相器用，在环路捕捉过程中，当频率相差很大时，鉴频功能在反馈环中起作用，频率误差电压迅速驱动VCO的频率接近设定的频率，当频率差降到足够小时，鉴相功能起作用，最终将信号锁定。

外部环路滤波器由有源低噪声运算放大器及电阻、电容网络构成。

本发明的频率合成器中其他元件的电路说明。

标准频率生成器1采用温补晶振电路。频率25.6MHz，供电电源5V±0.3V，输出正弦波，温度稳定度：±0.5ppm@-40～85℃，单边带相位噪声：≤-120dBc/Hz@100Hz、≤-140dBc/Hz@1kHz、≤-150dBc/Hz@10kHz。温补晶振的压控端Vc可以通过调整电压来控制输出频率的精度。

第一隔离开关3、第二隔离开关5、第一射频开关6、第二射频开关9、第三射频开关16均为SPDT高速开关。

第一射频放大器7由集成电路WBA0030-15A及其外围电感、电容组成。WBA0030-15A是一款低噪声宽频段射频放大器，工作频率范围为10MHz～3GHz，增益大于13dB，噪声系数1.8dB，输出功率1dB压缩点18dBm。

第二射频放大器11和第三射频放大器14由集成电路PMA3-83LNW+及其外围电感、电容组成。PMA3-83LNW+是一款低噪声高线性射频放大器，工作频率范围为400MHz～8GHz，增益典型值22dB，噪声系数1.2dB，输出功率1dB压缩点21dBm。

低通滤波器8由LC椭圆函数滤波器组成，用于滤除3GHz以上频率的杂波信号。

带通滤波器12由声表滤波器组成，用于滤除4GHz频率以外的杂波信号。

微带滤波器15由谐振电感、微带线和开关矩阵组成选谐带通滤波器。由于微带滤波器15工作频率较高，印制板采用陶瓷基板，电容、电感可由微带线和印制线间的分布参数实现。用于3GHz～7GHz频率跟踪滤波，滤除带外谐波、杂散及噪声。

控制器17由单片机或FPGA组成。接收外部频率信息，根据接收的频率值进行计算得出配置参数，然后同时对锁相环进行控制，输出时钟、数据、使能等信号，同时完成频率合成器控制状态上报，以及对微带滤波器15、各种电子开关进行切换控制。

电源管理器18由线性电源芯片LP2967及外围电路组成。将外部输入电压转换为+3.3V、+5V，作为控制器17、射频放大器和锁相环芯片等电路的供电电压。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，包括：标准频率生成器、控制器、第一集成锁相环、第二集成锁相环、第三集成锁相环、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器、混频器、低通滤波器、带通滤波器和微带滤波器；

所述标准频率生成器生成基准频率信号，并将其分别输送给第一集成锁相环、第二集成锁相环、第三集成锁相环、控制器，所述控制器根据基准频率信号和所需的本振或射频信号的工作频率分别对第一集成锁相环、第二集成锁相环、第三集成锁相环、微带滤波器和射频开关送入对应的频率控制字、时钟和控制信号；

所述第一集成锁相环和第二集成锁相环根据各自接收到的频率控制字、时钟、控制信号进行交替锁定，并采用第一射频开关切换输出对应集成锁相环锁定的连续低频信号；所述第一射频开关输出的连续低频信号依次经过第一射频放大器和低通滤波器后，得到滤除谐波的频率信号；

当所需工作频率在[30MHz，3GHz)范围内时，所述滤除谐波的频率信号通过第二射频开关切换进行低频输出；

当所需工作频率在[3GHz，7GHz]范围内时，所述滤除谐波的频率信号通过第二射频开关切换输出至混频器；同时，所述第三集成锁相环根据接收到的频率控制字、时钟、控制信号锁定并输出固定高频信号；所述固定高频信号依次经过第二射频放大器和带通滤波器后，得到滤除谐波降噪的频率信号；所述滤除谐波降噪的频率信号送入混频器与所述滤除谐波的频率信号进行混频处理，输出宽频段本振或射频激励信号；

所述宽频段本振或射频激励信号经过第三射频放大器进行信号放大后再经过微带滤波器滤除谐波、带外杂散分量和噪声后，输出高频本振或射频激励信号。

2.根据权利要求1所述的快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，所述低频输出和高频本振或射频激励信号通过第三射频开关进行切换输出，使频率合成器的输出为30MHz-7GHz的宽频段连续输出。

3.根据权利要求1所述的快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，所述第一集成锁相环、第二集成锁相环和第三集成锁相环分别包含内部集成的鉴相器、泵电路、压控振荡器、功分器、分频器集成和外部环路滤波器；所述分频器包含R分频器、N分频器和输出分频器。

4.根据权利要求3所述的快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，标准频率信号进入R分频器进行分频后产生基准信号；压控振荡器产生的载频信号依次经过功分器和N分频器进行N前置分频，得到分频信号；所述基准信号和分频信号分别进入鉴相器进行鉴频鉴相后，产生泵电流；泵电流进入外部环路滤波器进行运放放大后，作为压控振荡器的调谐电压，控制压控振荡器的输出频率；当所需输出频率较高时，由压控振荡器直接输出；当所需输出频率较低时，压控振荡器的输出信号进入输出分频器进行分频，得到低频率信号，并由输出分频器输出该低频信号。

5.根据权利要求4所述的快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，所述第一集成锁相环和第二集成锁相环内部的压控振荡器的输出频率为1500MHz～3000MHz。

6.根据权利要求4所述的快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，所述第三集成锁相环内部的压控振荡器的输出频率为2200MHz～4400MHz。

7.根据权利要求1所述的快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，所述第一集成锁相环与第一射频开关之间设置有第一隔离开关；所述第二集成锁相环与第一射频开关之间设置有第二隔离开关。

8.根据权利要求1所述的快速捷变的宽带频率合成器，其特征在于，还包括电源管理器，用于将外部输入电压转换为+3.3V或+5V，作为控制器、第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器、第一集成锁相环、第二 集成锁相环、第三 集成锁相环的供电电压。

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