CN112737578A - 一种高相噪宽带微波产生方法、装置及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高相噪宽带微波产生方法，包括如下步骤：通过压控振荡器VCO输出满足宽调谐范围的频率信号；对输出的在预设宽调谐范围内的频率信号进行隔离后输出，并将经过隔离后的输出信号通过放大器进行放大；对放大后的频率信号进行滤波，所述滤波器的输入端连接标准信号源，所述滤波器的输出端与鉴相器的信号输入源连接；通过所述鉴相器基于标准信号源对输入至滤波器的频率信号进行鉴相，并将所述频率信号拉向标准信号源，提高输出信噪比。本发明还涉及一种实现上述方法的装置和电路。本发明能够产生一种宽度可调谐的高相噪宽带微波，杂散抑制和抗干扰能力好，高相噪且功耗低。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种高相噪宽带微波产生方法、装置及电路。
背景技术
在生活中，通常将频率范围在300MHz到300GHz，波长在一米到一毫米的电磁波称为微波，相应的电磁波信号被称作微波信号。
现代微波技术已经随着科技的高速发展而应用于雷达、通信、能源以及家用电器等广阔领域。微波技术的基础是如何产生微波信号，其性能会直接影响到整个电子系统。
频率综合器的输出频率范围以及带外相位噪声通常有频率综合器内的微波振荡器决定，而微波振荡器作为射频接收器的核心模块，已经被广泛应用于无线通信系统中，几乎所有的微波信号发生装置都离不开微波振荡器，而不同的微波产生方法也主要围绕对微波振荡器输出的微波信号的处理上，目前市场上常见的微波振荡器有环形振荡器，LC振荡器和压控振荡器VCO，压控振荡器VCO，环形振荡器和压控振荡器虽然能输出高相位噪的微波，但是往往宽度不能调谐，并且相位噪声指标余量小，功耗大，LC振荡器虽然能够进行较高的谐振频率，但是只能输出较低的相位噪声。而高相噪的频率信号源是现代射频和微波电子系统的心脏，在部分应用场景中需要高相噪的频率信号的微波宽带能够进行调整，如何产生一种宽度可调谐、高相噪的微波具有重要的研究价值。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高相噪宽带微波产生方法，相位噪声高，功耗较低且能够实现微波宽带调谐。
本发明的目的之二在于提供一种高相噪宽带微波装置，其能实现上述高相噪宽带微波产生方法。
本发明的目的之三在于提供一种高相噪宽带微波产生电路，其能实现上述高相噪宽带微波产生方法。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：一种高相噪宽带微波产生方法，包括以下步骤：
S1:通过压控振荡器VCO输出满足宽调谐范围的频率信号；
所述压控振荡器VCO采用锁相环结构，包括MOS管转换电路和开关电容阵列，所述MOS管转换电路输出一路可连续变化的谐振频率信号，所述开关电容阵列输出一路可分立变化的谐振频率信号；所述压控振荡器VCO的输出端连接有YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器根据输入的可连续变化的谐振频率信号和可分立变化的谐振频率信号进行频率合成谐调，输出一个在预设宽调谐范围内的频率信号；
S2:对输出的在预设宽调谐范围内的频率信号进行隔离后输出，并将经过隔离后的输出信号通过放大器进行放大；
S3:对放大后的频率信号进行滤波，若是低频率的信号，采用低通滤波器，若是高频率的信号，采用带通滤波器，所述滤波器的输入端连接标准信号源，所述滤波器的输出端与鉴相器的信号输入源连接；
S4:所述鉴相器于标准信号源对输入至滤波器的频率信号进行鉴相，并将所述频率信号拉向标准信号源，提高输出信噪比。
进一步地，所述MOS管转换电路包括高压MOS管链与低压MOS管链，当输入信号经过所述高压MOS管链传输至所述低压MOS管链时，所述高压MOS管链与低压MOS管链中的MOS管的沟道长度逐渐变化，从而产生一路可连续变化的谐振频率信号。
进一步地，当锁相环处于开环状态时，根据用户设置的频率，预置压控振荡器VCO的工作频率，当锁相环处于闭环状态时，根据设定的预置频率，控制压控振荡器VCO输入的尾电流值，使压控振荡器VCO单边输出摆幅处于稳定状态，从而使压控振荡器VCO稳定振荡。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种高相噪宽带微波产生装置，包括：
压控振荡器VCO，所述压控振荡器VCO用于输出满足宽调谐范围的频率信号；
YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器用于对所述压控振荡器VCO输出的频率信号进行合成调谐；
小数分频振荡电路，用于产生合成宽带微波信号所需的鉴相参考标准信号源；
放大器，用于将隔离后的输出信号进行放大；
低通滤波器，用于对放大器输出后的低频率信号进行滤波，滤除交调信号、高纯点频信号及其谐波；
带通滤波器，用于对放大器输出后的高频率信号进行滤波，滤除高纯点频信号；
鉴相器，用于实现小分数分频振荡电路输出的参考标准信号和YIG调谐振荡器输出的频率信号进行鉴相；
环路积分器，用于实现输入信号的积分和滤波，并且产生积分电压传输到压控振荡器VCO实现锁相环的闭环。
进一步地，所述压控振荡器VCO采用锁相环结构，其中一路包括采用差分结构的积累型MOS管链，用于输出可连续变化的谐振频率信号，另一路包括4bit的开关电容阵列，用于输出可分立变化的谐振频率信号。
进一步地，所述压控振荡器VCO还包括交叉耦合和差分电感，所述交叉耦合用于当压控振荡器VCO单边输出摆幅处于减幅振荡时为压控振荡器VCO维持稳定振荡提供能量源。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种高相噪宽带微波产生电路，包括：
锁相环、放大器和滤波器，所述锁相环包括依次连接的压控振荡器VCO、耦合器、YIG调谐振荡器、鉴相器，其中压控振荡器VCO与耦合器相连，处理后的信号从耦合器输出至YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器向前传输信号依次连接放大器、滤波器和鉴相器，所述滤波器的输入端连接标准信号源，所述滤波器的输出端与鉴相器的信号输入源端连接，所述鉴相器的电压输出通过滤波器与压控振荡器的控制电压的输入端连接，所述鉴相器的输入端还连接有用于产生合成宽带微波信号所需的鉴相参考标准信号源的小数分频振荡电路。
进一步地，所述压控振荡器VCO包括MOS管转换电路和开关电容阵列，所述MOS管转换电路包括依次连接的高压MOS管链和低压MOS管链，所述高压MOS管链包括第一PMOS高压管、第二NMOS高压管、第三PMOS高压管和第四NMOS高压管，所述低压MOS管链包括第一PMOS低压管、第二NMOS低压管、第三PMOS低压管和第四NMOS低压管，所述PMOS管的栅极连接所述NMOS管的栅极，所述PMOS管的漏极连接所述NMOS管的漏极，所述高压MOS管链外接电源电压和控制电压，所述低压MOS管链接地。
进一步地，所述高压MOS管链和所述低压MOS管链中的MOS管的长度皆不相同且串联的PMOS管和NMOS管的宽度比为3:1。
进一步地，所述压控振荡器VCO的输入端还连接有电荷泵，所述电荷泵的输出端通过电容接固定电平。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：.
本发明采用锁相环结构的方式，使压控振荡器VCO能够输出满足宽调谐范围的频率信号，通过YIG调谐振荡器合成在预设宽度范围内的频率信号，鉴相器输出电压能够控制压控振荡器VCO将其输出频率拉向标准信号源，提高电路的杂散抑制和抗干扰，降低功耗，提高输出信噪比，并且在锁相环电路的基础上，在电荷泵输出增加一个电容，能够更好的滤除高频噪声，进一步提供锁相环相噪性能。
附图说明
图1为本发明的一种高相噪宽带微波产生方法流程示意图；
图2为本发明的MOS管转换电路框示意图；
图3为本发明的一种高相噪宽带微波产生装置的原理示意图；
图4为本发明的MOS管转换电路结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种高相噪宽带微波产生方法，包括如下步骤：
步骤一：通过压控振荡器VCO输出满足宽调谐范围的频率信号，所述压控振荡器VCO采用锁相环结构，包括MOS管转换电路和开关电容阵列，所述MOS管转换电路输出一路可连续变化的谐振频率信号，所述开关电容阵列输出一路可分立变化的谐振频率信号；所述压控振荡器VCO的输出端连接有YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器根据输入的可连续变化的谐振频率信号和可分立变化的谐振频率信号进行频率合成谐调，输出一个在预设宽调谐范围内的频率信号；
MOS管转换电路中的延迟时间以及变化幅度由其中的MOS管的沟道长度决定，沟道长度越长，延迟越大，变化幅度也就越大，最后形成的微波宽带也就越宽，因此，为了获取一路可连续变化的谐振频率信号。参考图2，所述MOS管转换电路包括高压MOS管链与低压MOS管链，当输入信号经过所述高压MOS管链传输至所述低压MOS管链时，所述高压MOS管链与低压MOS管链中的MOS管的沟道长度逐渐变化，需要说明的是，MOS管中沟道长度(L>3μm)的情况下，电路中阀值电压与沟道长度的关系并不大，而当沟道长度(L<3μm)时，阀值电压会随着沟道长度的变化而变化，所以针对于一些沟道长度在3μm以下的MOS管，需要将MOS管转换电路中的MOS管链分为高压MOS管链和低压MOS管链，这样即使是在采用高电源电压时，当经过高压MOS管链时会消耗掉一部分电压，即使低压MOS管链中的电压会随着沟道长度而变化，但仍然在低压MOS管的承受范围内，不会造成低压MOS管链中的中低压管子的损坏，同时由于高压管链中的电压明显比低压管链中的电压高，这样通过低压管链后输出的频率信号的摆幅度也会变大，SNR提升，信噪比增强。
在本实施例中，采用YIG调振荡器进行频率调谐，YIG调谐振荡器由于YIG小球谐振子具有很高的Q值，调谐带宽宽，稳定性好，噪声分布曲线好，频谱纯，用来进行频率合成具有十分良好的应用效果。
步骤二:对输出的在预设宽调谐范围内的频率信号进行隔离后输出，并将经过隔离后的输出信号通过放大器进行放大。
此处对输出的在预设宽调谐范围内的频率信号进行隔离是为了防止其他路的信号串进放大器从而产生不需要的杂散频率。采用放大器是因为需要提高信号的幅度，使得所有频率信号最终输出后幅度能够满足在常温或者高低温下的使用需求。此处放大器可以采用单片放大器，使用简单，成本体，并且能够明显改善波形质量，能够满足使用需求。
步骤三:对放大后的频率信号进行滤波，若是低频率的信号，采用低通滤波器，若是高频率的信号，采用带通滤波器，所述滤波器的输入端连接标准信号源，所述滤波器的输出端与鉴相器的信号输入源连接。
针对输出的信号频率的不同，采用不同的的滤波器滤除不同的信号，低通滤波器，用于对放大器输出后的低频率信号进行滤波，滤除交调信号、高纯点频信号及其谐波；带通滤波器，用于对放大器输出后的高频率信号进行滤波，滤除高纯点频信号；
步骤四:所述鉴相器基于标准信号源对输入至滤波器的频率信号进行鉴相，并将所述频率信号拉向标准信号源，提高输出信噪比，得到高相噪宽带微波频率信号。
其中，所述标准信号源可以基于现有小数分频振荡电路提供的参考信号源为基准。
在本实施例中，当锁相环处于开环状态时，根据用户设置的频率，预置压控振荡器VCO的工作频率，当锁相环处于闭环状态时，根据设定的预置频率，控制压控振荡器VCO输入的尾电流值，使压控振荡器VCO单边输出摆幅处于稳定状态，从而使压控振荡器VCO稳定振荡。
由于压控振荡器VCO中的MOS管转换电路与开关电容阵列都是有损器件，所以在运行时对应的谐振是减幅谐振，而呈负阻特效的交叉耦合能够提高能量来维持压控振荡器VCO的稳定。并且在稳定振荡时，单边输出摆幅会随尾电流的增大而增大，因此为了兼顾电路功耗和相位噪声，需要选取合适的尾电流值，使压控振荡器VCO单边输出摆幅处于稳定状态。
实施例二
本发明还提供一种用于上述方法的装置，如图3所示，包括压控振荡器VCO，所述压控振荡器VCO用于输出满足宽调谐范围的频率信号；YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器用于对所述压控振荡器VCO输出的频率信号进行合成调谐；小数分频振荡电路，用于产生合成宽带微波信号所需的鉴相参考标准信号源；放大器，用于将隔离后的输出信号进行放大；低通滤波器，用于对放大器输出后的低频率信号进行滤波，滤除交调信号、高纯点频信号及其谐波；带通滤波器，用于对放大器输出后的高频率信号进行滤波，滤除高纯点频信号；鉴相器，用于实现小分数分频振荡电路输出的参考标准信号和YIG调谐振荡器输出的频率信号进行鉴相；环路积分器，用于实现输入信号的积分和滤波，并且产生积分电压传输到压控振荡器VCO实现锁相环的闭环。
在本实施例中吗，所述压控振荡器VCO采用锁相环结构，其中一路包括采用差分结构的积累型MOS管链，用于输出可连续变化的谐振频率信号，另一路包括4bit的开关电容阵列，用于输出可分立变化的谐振频率信号，所述压控振荡器VCO还包括交叉耦合和差分电感，所述交叉耦合用于当压控振荡器VCO单边输出摆幅处于减幅振荡时为压控振荡器VCO维持稳定振荡提供能量源。
本实施例提供的装置原理应用在实施例一提供的高相噪宽带微波产生方法中，与实施例一提供的高相噪宽带微波产生方法执行原理相同，在此不再赘述。
实施例三
本发明还提供一种用于上述方法的电路，参考图2所示，包括锁相环、放大器和滤波器，所述锁相环包括依次连接的压控振荡器VCO、耦合器、YIG调谐振荡器、鉴相器，其中压控振荡器VCO与耦合器相连，处理后的信号从耦合器输出至YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器向前传输信号依次连接放大器、滤波器和鉴相器，所述滤波器的输入端连接标准信号源，所述滤波器的输出端与鉴相器的信号输入源端连接，所述鉴相器的电压输出通过滤波器与压控振荡器的控制电压的输入端连接，所述鉴相器的输入端还连接有用于产生合成宽带微波信号所需的鉴相参考标准信号源的小数分频振荡电路。
在本实施例中，所述压控振荡器VCO包括MOS管转换电路、交叉耦合和开关电容阵列，所述MOS管转换电路包括依次连接的高压MOS管链和低压MOS管链，参考图4所示，所述高压MOS管链包括第一PMOS高压管、第二NMOS高压管、第三PMOS高压管和第四NMOS高压管，所述低压MOS管链包括第一PMOS低压管、第二NMOS低压管、第三PMOS低压管和第四NMOS低压管，所述PMOS管的栅极连接所述NMOS管的栅极，所述PMOS管的漏极连接所述NMOS管的漏极，所述高压MOS管链外接电源电压和控制电压，所述低压MOS管链接地。所述高压MOS管链和所述低压MOS管链中的MOS管的沟道长度皆不相同且串联的PMOS管和NMOS管的宽度比为3:1，其中MOS管的沟道长度不同是由于MOS管转换电路中的延迟时间以及变化幅度由其中的MOS管的沟道长度决定，沟道长度越长，延迟越大，变化幅度也就越大，最后形成的微波宽带也就越宽，而将串联的PMOS管和NMOS管的宽度比设置为3:1，是为了更好的获取输出频率信号的上升沿和下降沿。
当压控振荡器稳定振荡时，交叉耦合呈现为开关特性，本实施例对开关电容阵列并不做出限定，可以采用现有技术中的4bit开关电容，也可以采用现有技术中的多bit开关电容，电容位数和最低位电容开关大小根据实际电路中分类调谐曲线的分布决定。
为了进一步提高锁相环的相噪性能，作为一种优选的实施例，所述压控振荡器VCO的输入端还连接有电荷泵，所述电荷泵的输出端通过电容接固定电平，电容能够更好的滤除高频噪声，进一步提高锁相环相噪性能。
参考图3，由于交叉耦合的开关特效，所以进入谐振回路的电流可以近似的看做电平I的波形信号，因此计算处压控振荡器的单边输出摆幅会随着尾电流的增大而增大，当接近V时，由于MOS管转换电路中的NMOS管的非线性，输出摆幅会在电平I区域受到电流与电压的影响，在输出摆幅决定与I的区域称为电流限制区，不受I影响的区域称为电压限制区，因此，为了增强宽带微波的相噪，需要控制输出摆幅在电流限制区域内，所以，根据电路内开关电容阵列的个数，选取合适的尾电流值，控制输出摆幅不超出电流限制区，从而使压控振荡器VCO能够维持稳定振荡。
本实施例提供的电路原理应用在实施例一提供的高相噪宽带微波产生方法中，与实施例一提供的高相噪宽带微波产生方法执行原理相同，在此不再赘述。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种高相噪宽带微波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:通过压控振荡器VCO输出满足宽调谐范围的频率信号；
所述压控振荡器VCO采用锁相环结构，包括MOS管转换电路、交叉耦合和开关电容阵列，所述MOS管转换电路输出一路可连续变化的谐振频率信号，所述开关电容阵列输出一路可分立变化的谐振频率信号；所述压控振荡器VCO的输出端连接有YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器根据输入的可连续变化的谐振频率信号和可分立变化的谐振频率信号进行频率合成谐调，输出一个在预设宽调谐范围内的频率信号；
S2:对输出的在预设宽调谐范围内的频率信号进行隔离后输出，并将经过隔离后的输出信号通过放大器进行放大；
S3:对放大后的频率信号进行滤波，若是低频率的信号，采用低通滤波器，若是高频率的信号，采用带通滤波器，所述滤波器的输入端连接标准信号源，所述滤波器的输出端与鉴相器的信号输入源连接；
S4:所述鉴相器基于标准信号源对输入至滤波器的频率信号进行鉴相，并将所述频率信号拉向标准信号源，提高输出信噪比。
2.如权利要求1所述的高相噪宽带微波产生方法，其特征在于，所述MOS管转换电路包括高压MOS管链与低压MOS管链，当输入信号经过所述高压MOS管链传输至所述低压MOS管链时，所述高压MOS管链与低压MOS管链中的MOS管的沟道长度逐渐变化，从而产生一路可连续变化的谐振频率信号。
3.如权利要求1所述的高相噪宽带微波产生方法，其特征在于，当锁相环处于开环状态时，根据用户设置的频率，预置压控振荡器VCO的工作频率，当锁相环处于闭环状态时，根据设定的预置频率，控制压控振荡器VCO输入的尾电流值，使压控振荡器VCO单边输出摆幅处于稳定状态，从而使压控振荡器VCO稳定振荡。
4.一种实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括：
压控振荡器VCO，所述压控振荡器VCO用于输出满足宽调谐范围的频率信号；
YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器用于对所述压控振荡器VCO输出的频率信号进行合成调谐；
小数分频振荡电路，用于产生合成宽带微波信号所需的鉴相参考标准信号源；
放大器，用于将隔离后的输出信号进行放大；
低通滤波器，用于对放大器输出后的低频率信号进行滤波，滤除交调信号、高纯点频信号及其谐波；
带通滤波器，用于对放大器输出后的高频率信号进行滤波，滤除高纯点频信号；
鉴相器，用于实现小分数分频振荡电路输出的参考标准信号和YIG调谐振荡器输出的频率信号进行鉴相，并将所述频率信号拉向标准信号；
环路积分器，用于实现输入信号的积分和滤波，并且产生积分电压传输到压控振荡器VCO实现锁相环的闭环。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述压控振荡器VCO采用锁相环结构，其中一路包括采用差分结构的积累型MOS管链，用于输出可连续变化的谐振频率信号，另一路包括4bit的开关电容阵列，用于输出可分立变化的谐振频率信号。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述压控振荡器VCO还包括交叉耦合和差分电感，所述交叉耦合用于当压控振荡器VCO单边输出摆幅处于减幅振荡时为压控振荡器VCO维持稳定振荡提供能量源。
7.一种用于如权利要求1中所述方法的电路，其特征在于，包括锁相环、放大器和滤波器，所述锁相环包括依次连接的压控振荡器VCO、耦合器、YIG调谐振荡器、鉴相器，其中压控振荡器VCO与耦合器相连，处理后的信号从耦合器输出至YIG调谐振荡器，所述YIG调谐振荡器向前传输信号依次连接放大器、滤波器和鉴相器，所述滤波器的输入端连接标准信号源，所述滤波器的输出端与鉴相器的信号输入源端连接，所述鉴相器的电压输出通过滤波器与压控振荡器的控制电压的输入端连接，所述鉴相器的输入端还连接有用于产生合成宽带微波信号所需的鉴相参考标准信号源的小数分频振荡电路。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述压控振荡器VCO包括MOS管转换电路和开关电容阵列，所述MOS管转换电路包括依次串联的高压MOS管链和低压MOS管链，所述高压MOS管链包括第一PMOS高压管、第二NMOS高压管、第三PMOS高压管和第四NMOS高压管，所述低压MOS管链包括第一PMOS低压管、第二NMOS低压管、第三PMOS低压管和第四NMOS低压管，所述PMOS管的栅极连接所述NMOS管的栅极，所述PMOS管的漏极连接所述NMOS管的漏极，所述高压MOS管链外接电源电压和控制电压，所述低压MOS管链接地。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述高压MOS管链和所述低压MOS管链中的MOS管的沟道长度皆不相同且串联的PMOS管和NMOS管的宽度比为3:1。
10.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述压控振荡器VCO的输入端还连接有电荷泵，所述电荷泵的输出端通过电容接固定电平。
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