CN114157292A - 一种超低相位噪声频率合成器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低相位噪声频率合成器，其加入了超窄带晶振锁相环，使两路信号相位噪声非相关，叠加后实现相位噪声优化，主要由10MHz恒温晶振，功分器，10MHz‑100MHz超窄带晶振锁相环、5.8GHz低相位噪声取样锁相介质振荡器（PDRO）、电调移相器、电调衰减器、放大器和合路器组成。两路信号经过合路器后输出最终信号。本发明的方案利用非相关相噪叠加原理，使两路信号相位噪声非相关，并利用DRO的低相位噪声进行合路输出，能够有效改善相位噪声，电路结构简单，易于实现。

Description

一种超低相位噪声频率合成器
技术领域
本发明涉及频率合成技术领域，具体涉及一种超低相位噪声频率合成器。
背景技术
随着无线电子类产品的快速发展，频谱资源愈发珍贵，电子产品不仅需要向高频段拓展，而且还要求更高精度的频率信号。频率综合器作为电子系统的频率源，几乎出现在所有电子产品中，例如测试测量仪器、射频收发机、无线局域网(Wireless Local AreaNetwork, WLAN)与第五代移动通信技术(5th-Generation, 5G)等新兴通信系统、雷达、医疗设备等，频率综合器的性能优劣直接影响电子设备的性能指标。
频率源作为当代所有电子系统的基本信号来源，一直被誉为现代电子系统的“心脏”。电子系统的性能指标某种程度上由频率源的性能指标决定。相位噪声对接收机的信噪比和选择性有着较大的影响，同时高相位噪声的本振也会增加接收机、发射机中其他器件的设计难度。
随着技术不断提高，对电路系统要求必须低相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。低相噪对提高电路系统性能起到重要作用。
目前主要有三种频率合成技术，分别为直接频率合成、直接数字频率合成以及锁相环技术。直接频率合成虽然相位噪声较低，但是实现难度较大，成本高；直接数字合成相位噪声特性较好，但会有杂散问题；基于锁相环技术的频率合成技术虽然方案较为简单，成本较低，但是其相位噪声特性较差。
发明内容
本发明利用多路非相关信号组合的相位噪声呈线性叠加的原理，通过窄带晶振锁相环先获得两路非相关信号，并将这些信号进行有效的合成，能获得较常规锁相环技术10log（N）的相位噪声提升，其中N为不相关的信号路数。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种超低相位噪声频率合成器，包括恒温晶振，用于产生参考信号，参考信号通过功分器分别连接两路相同的链路。所述参考信号晶振连接晶振锁相环，为晶振锁相环提供参考信号，晶振锁相环将对10MHz参考信号进行锁相，输出频率100MHz信号。实现将两路信号相位噪声非相关，晶振锁相环输出端连接5.8GHzPDRO输入端，PDRO用于对100MHz信号进行锁相，输出5.8GHz信号，5.8GHzPDRO输出端接电调移相器，用于实现对输出信号初始相位的调整，电调移相器输出端连接电调衰减器，用于实现输出信号功率大小的调整，电调衰减器输出端接入一个放大器，用于实现补足输出信号的功率大小。两路信号经过合路器后输出最终信号。本发明的方案利用非相关相噪叠加原理，叠加后合路输出实现相位噪声优化。
进一步地，所述低相位噪声基准源为恒温晶体振荡器，且其频率等于10MHz。所述晶振锁相环为超窄带晶振锁相环，单路中用于将10MHz参考信号锁相为100MHz信号，并且使两路信号相位噪声非相关。
进一步地，所述5.8GHzPDRO为定制低相位噪声取样锁相介质振荡器。
进一步地，所述的所有供电芯片均为低压差线性稳压器，以降低电源对链路相位噪声的影响。
本发明的低相位噪声合成器采用了非相关相位噪声叠加原理，硬件上使用了超窄带晶振锁相环，采用了窄带锁相技术来实现多路的非相关频率信号。相较于现有技术的20*log（N）的倍数恶化，利用非相关相噪叠加原理的输出信号相噪的恶化是按照10*log（N）的倍数恶化的，也就是使用了非相关相位噪声叠加原理后相位噪声可以获得10*log（N）的相噪改善。
附图说明
图1为本发明的超低相位噪声频率合成器结构框图。
图2为本发明的频率合成器的主要组成部分晶振锁相环的原理框图。
图3为本发明的频率合成器晶振锁相环的RC环路滤波器电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明所使用的取样锁相频率源(PDRO)则是用晶振参考信号产生一同频率的尖脉冲信号，与输入信号进行比较并输出误差信号。当振荡器输出频率与参考信号的N次谐波频率相同时，经环路滤波器滤波后的误差信号为一稳定的直流电压，此时振荡器频率被稳定在5.8GHz。该方案具有功耗低、体积小和相位噪声特性优的特点。
结合图1~图3，一种超低相位噪声频率合成器，利用非相关相噪叠加原理，叠加后实现相位噪声优化，包括依次连接的一个功分器、一个合路器，以及两路并联在功分器和合路器之间的晶振锁相环链路。
通过恒温晶振产生参考信号，参考信号通过功分器分别连接到两路相同的晶振锁相环链路；所述晶振锁相环链路包括依次设置的晶振锁相环、5.8GHzPDRO、电调移相器、电调衰减器和放大器。
所述参考信号分别进入晶振锁相环链路的输入端，为晶振锁相环提供参考信号，晶振锁相环将10MHz信号转换为100MHz信号，实现将两路信号相位噪声非相关，晶振锁相环输出端连接5.8GHzPDRO输入端，5.8GHz PDRO用于对100MHz信号进行锁相，输出5.8GHz信号，5.8GHzPDRO输出端接电调移相器，由于硬件的不一致性，两路信号的初始相位相差较大，运用电路中的移相器，将两路信号相位调整一致，电调移相器输出端连接电调衰减器，用于实现输出信号功率大小的调整，电调衰减器输出端接入一个放大器，用于实现补足输出信号的功率大小；两路信号经过合路器后输出最终信号。
所述晶振锁相环为超窄带晶振锁相环，其环路滤波器设计为RC三阶无源滤波器，C1为220nF，R1为15Ω，C2为3.3uF，R2为30Ω，C3为100nF。
所述5.8GHzPDRO为输出5.8GHz信号的低相位噪声取样锁相介质振荡器。
本发明采用了多路非相关信号组合的相位噪声呈线性叠加的原理，主要是通过利用超窄带晶振锁相环获得两路非相关的信号，使其相位噪声非相关，晶振锁相环输出信号作为5.8GHz低相位噪声取样锁相介质振荡器的参考信号，PDRO输出5.8GHz信号后，通过合路器进行频率组合，因为此时两路信号已是非相关信号，理论上能获得较常规锁相环技术10*log（2）=3dB的相位噪声改善。
此外，随着路数的增加，相位噪声也会有10*log（N）的改善，N为非相关信号的路数，例如，当合路数为4或者8时，理论上相位噪声会有6dB和9dB的提升。

Claims (6)

1.一种超低相位噪声频率合成器，其特征在于：利用非相关相噪叠加原理，叠加后实现相位噪声优化，包括依次连接的一个功分器、一个合路器，以及两路并联在功分器和合路器之间的晶振锁相环链路；
通过恒温晶振产生参考信号，参考信号通过功分器分别连接到两路相同的晶振锁相环链路；所述晶振锁相环链路包括依次设置的晶振锁相环、5.8GHzPDRO、电调移相器、电调衰减器和放大器；
所述参考信号分别进入晶振锁相环链路的输入端，为晶振锁相环提供参考信号，晶振锁相环将10MHz信号转换为100MHz信号，实现将两路信号相位噪声非相关，晶振锁相环输出端连接5.8GHzPDRO输入端，5.8GHz PDRO用于对100MHz信号进行锁相，输出5.8GHz信号，5.8GHzPDRO输出端接电调移相器，由于硬件的不一致性，两路信号的初始相位相差较大，运用电路中的移相器，将两路信号相位调整一致，电调移相器输出端连接电调衰减器，用于实现输出信号功率大小的调整，电调衰减器输出端接入一个放大器，用于实现补足输出信号的功率大小；两路信号经过合路器后输出最终信号。
2.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述晶振锁相环为超窄带晶振锁相环。
3.如权利要求2所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述窄带晶振锁相环的环路滤波器采用了超窄带RC三阶低通滤波器。
4.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述5.8GHzPDRO为低相位噪声取样锁相介质振荡器。
5.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述电调移相器使用带宽为5-18GHz，相移大于400°，采用单正电压控制，采用芯片HMC247。
6.如权利要求1所述的超低相位噪声频率合成器，其特征在于：所述电调衰减器带宽为DC-8GHz，超低相移以及32dB衰减范围，采用芯片HMC346AMS8GE，2-18GHz的平方律检波器。
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