CN116760366A - 一种低噪声分数倍频电路及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低噪声分数倍频电路及其实现方法，该分数倍频电路主要包括晶体管调谐放大电路，选频反馈电路，输出选频匹配电路。所述晶体管调谐放大电路采用三极管共射电路拓扑结构，当晶体管基极输入信号时，利用晶体管PN结的非线性特性，适当调整调谐电路参数，可在其集电极输出得到丰富的谐波分量，选频反馈电路选择期望的谐波信号反馈到晶体管基极，与输入信号调制，在集电极可获得分频信号的整数倍谐波分量，选择合适的输出选频匹配电路，可非常方便地获得输入频率的整数分频、非整数分频、非整数倍频的分数倍频信号。该电路方案结构简单，元器件数量较少，成本低廉，功耗低，可获得的优良的相位噪声指标。
Description
技术领域
本发明属于射频微波技术领域，具体地说，是涉及一种低噪声分数倍频电路及其实现方法。
背景技术
众所周知，高性能的频率信号一直是现代电子信息、时频技术发展所必须，几乎所有的电子信息设备都需要基准频率源作为基础。通常频率基准信号均由晶体振荡器提供，并在此基础上进行分频、倍频和混频等频率变换，以满足不同的系统需求。
现有技术中，频率变换一般采用集成数字分频器实现整数分频，采用专门的倍频电路实现频率倍增，采用倍频、分频混合电路或混频器实现非整数的频率变换。数字分频器的核心是D触发器分频电路，如图1所示，该类分频器集成度高、体积小，使用方便，可以方便地实现高分频比和可变分频，但受限于数字集成电路的基底噪声，其分频后输出信号的相位噪声指标很难得到改善。在噪声指标要求较高的场合，人们常采用再生分频技术获得更优的相位噪声性能。图2是典型的再生分频器电路，该电路采用混频器、滤波器、放大器、功分器和专门的倍频器电路实现低噪声分频，专利CN 113949382 A也采用了类似的再生分频方案，现有的再生分频电路虽可获得优良的噪声性能，但电路复杂、成本高，功耗大。在频率信号的变换方案中，人们还常采用倍频、分频、混频等直接式频率合成或锁相环间接合成等技术，直接合成可实现低噪声性能，但电路更加复杂，成本高、功耗大；锁相环频率合成电路成熟，但其复杂程度也较高，受限于鉴相器、压控振荡器等器件噪声性能，很难实现高性能特别是低噪声频率信号的产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低噪声分数倍频电路及其实现方法，主要解决现有的再生分频电路的电路结构复杂、成本高，功耗大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低噪声分数倍频电路，包括晶体管调谐放大电路以及与晶体管调谐放大电路相连的选频反馈电路F301和输出选频匹配电路F302；
所述晶体管调谐放大电路由晶体管Q300、直流偏置电路及调谐网络构成；所述直流偏置电路包括一端与电源Vcc相连且另一端与晶体管Q300的基极相连的电阻R300，一端与晶体管Q300的基极相连且另一端接地的电阻R301，以及一端与晶体管Q300的发射极相连且另一端接地的电阻R302；所述调谐网络包括一端与晶体管Q300的集电极相连且另一端与电源Vcc相连的电感L300和并联于与电感L300两端的电容C301；其中，所述选频反馈电路F301连接在晶体管Q300的基极和集电极之间；所述输出选频匹配电路F302一端连接在晶体管Q300的集电极且另一端作为射频信号的输出端；射频信号从晶体管Q300的基极输入。
进一步地，在本发明中，所述晶体管调谐放大电路还包括连接在电源Vcc和地之间的退耦滤波电容C300，一端连接在射频信号输入端且另一端连接在晶体管Q300的基极的隔直电容C304，一端连接在晶体管Q300的集电极且另一端连接在输出选频匹配电路F302的输入端的隔直耦合电容C302，以及一端连接在晶体管Q300的发射极且另一端连接到地的电容C305；其中，其中，所述选频反馈电路F301一端连接在隔直耦合电容C302且另一端连接在晶体管Q300的基极。
进一步地，在本发明中，所述晶体管Q300为高频低噪声晶体管。
进一步地，在本发明中，所述选频反馈电路F301为50MHz低通LC网络，输出选频匹配电路F302为50MHz低通LC网络。
进一步地，在本发明中，所述选频反馈电路F301为50MHz低通LC网络，输出选频匹配电路F302为150MHz高通LC网络。
基于上述电路，本发明还提供一种低噪声分数倍频电路的实现方法，具体过程如下：
选频反馈电路F301选出的反馈频率与射频信号的输入频率fin进行混频，然后进行数学加减运算，经由晶体管Q300放大，在反馈、混频、放大的回路作用下，在晶体管Q300的集电极输出分频信号及其谐波分量，再经由输出选频匹配电路F302输出所需谐波分量，达到分数倍频的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的晶体管调谐放大电路采用传统的晶体管共射放大电路，通过集电极调谐网络获得反馈频率信号和输出频率信号，元件数量极少，电路成熟，成本极低；且晶体管调谐放大电路具有不超过10mA的较小工作电流，实现低功耗和高的变频增益。
（2）本发明可以通过调谐网络参数调整、选频反馈网络和输出匹配网络参数调整，实现整数分频、非整数分频和非整数倍频功能，而且使用灵活，调试简单。
（3）本发明采用单晶体管放大、反馈电路，简洁地实现与再生分频电路相似的功能，其输出信号可获得尽可能低的相位噪声。
附图说明
图1是现有数字分频器原理图。
图2是现有再生分频电路原理图。
图3是本发明分数倍频电路原理图。
图4是本发明输入为100MHz时1/2倍频电路输出50MHz信号频谱图。
图5是本发明输入为100MHz时1/2倍频电路输出的相位噪声指标曲线。
图6是本发明输入为100MHz时3/2倍频电路输出150MHz信号频谱图。
图7是本发明输入为100MHz时3/2倍频电路输出的相位噪声指标曲线。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图3所示，本发明公开的一种低噪声分数倍频电路，包括晶体管调谐放大电路以及与晶体管调谐放大电路相连的选频反馈电路F301和输出选频匹配电路F302。
其中，所述晶体管调谐放大电路由晶体管Q300、直流偏置电路及调谐网络构成；所述直流偏置电路包括一端与电源Vcc相连且另一端与晶体管Q300的基极相连的电阻R300，一端与晶体管Q300的基极相连且另一端接地的电阻R301，以及一端与晶体管Q300的发射极相连且另一端接地的电阻R302；所述调谐网络包括一端与晶体管Q300的集电极相连且另一端与电源Vcc相连的电感L300和并联于与电感L300两端的电容C301；其中，所述选频反馈电路F301连接在晶体管Q300的基极和集电极之间；所述输出选频匹配电路F302一端连接在晶体管Q300的集电极且另一端作为射频信号的输出端；射频信号从晶体管Q300的基极输入。
在另一种实施方式中，所述晶体管调谐放大电路还包括连接在电源Vcc和地之间的退耦滤波电容C300，一端连接在射频信号输入端且另一端连接在晶体管Q300的基极的隔直电容C304，一端连接在晶体管Q300的集电极且另一端连接在输出选频匹配电路F302的输入端的隔直耦合电容C302，以及一端连接在晶体管Q300的发射极且另一端连接到地的电容C305；其中，其中，所述选频反馈电路F301一端连接在隔直耦合电容C302且另一端连接在晶体管Q300的基极。
图3中，高频信号fin输入通过隔直电容C304被施加到晶体管Q300的基极，由于晶体管基极-发射极PN结的非线性混频作用，这个信号被分成一个较低的频率信号。当电路最初被接通时，由于电路中存在的噪声，在晶体管Q300内部存在较弱的所需的一个较低频率，经由晶体管Q300倍频并放大，在集电极输出低频信号及其谐波分量。
图3中，连接在电源Vcc和晶体管Q300基极的电阻R300，连接在晶体管Q300基极和地之间的电阻R301，连接在晶体管Q300发射极和地之间的电阻R302和连接在晶体管集电极和电源Vcc之间的电感L300共同构成了晶体管调谐放大器的直流偏置通路，保证晶体管Q300工作于线性放大状态。
晶体管Q300发射极退耦电容C305与电阻R302并联，该电容有足够大的容值，在工作频率范围内呈交流短路状态，保证晶体管Q300基极和发射极的等效二极管交流到地，起到混频器作用。
电容器C301和电感L300并联后连接在晶体管Q300和电源Vcc之间，构成放大器的调谐网络，用来选择所需要的反馈信号谐波和输出信号，对不期望的谐波信号进行衰减。
在具体实施过程中，选频反馈电路F301通常由LC网络组成，比如在整数分频时，可以是一个LC低通滤波器；在其他非整数倍频时，可以是一个带通滤波器，选出的反馈频率与输入频率fin混频，进行数学加减运算，经由晶体管Q300放大，在反馈、混频、放大的回路作用下，在晶体管Q300的集电极输出分频信号及其谐波分量，再经由选频匹配电路F302输出所需谐波分量，达到分数倍频的目的。通过本发明方案，可以方便获取如2分频等整数分频信号，同时通过调整适当的电路参数，也可方便的获取3/2等分数倍频信号，而且由于晶体管的调谐放大作用，可以实现在较低的工作电流时获得较高的变频增益，降低变频电路功耗。
图4、图5是选频反馈电路F301为50MHz低通LC网络，输出选频匹配电路F302为50MHz低通LC网络，输入频率为100MHz时，输出50MHz分频信号的频谱和相位噪声情况；图6、图7同样是选频反馈电路F301为50MHz低通LC网络，输出选频匹配电路F302为150MHz高通LC网络，输入频率为100MHz时，输出150MHz分数倍频信号的频谱和相位噪声情况。
由图4~图7可以看出，在输入信号为100MHz时，输出2分频（1/2倍频）、3/2倍频信号时，信号输出功率高，相位噪声极低，近载频段可基本满足20lgN的相噪优化或恶化规律，远优于现有大量使用的数字分频器的噪声性能指标，而且工作电流小于10mA，远低于现有绝大多数集成分频器芯片功耗。采用本发明电路方案，可以方便对低噪声晶体振荡器信号进行低相位噪声频率变换，而且电路元件极少，简单可靠，成本低廉，同时功耗极低，使用灵活方便，具有非常高的指标优势和实用价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种低噪声分数倍频电路，其特征在于，包括晶体管调谐放大电路以及与晶体管调谐放大电路相连的选频反馈电路F301和输出选频匹配电路F302；
所述晶体管调谐放大电路由晶体管Q300、直流偏置电路及调谐网络构成；所述直流偏置电路包括一端与电源Vcc相连且另一端与晶体管Q300的基极相连的电阻R300，一端与晶体管Q300的基极相连且另一端接地的电阻R301，以及一端与晶体管Q300的发射极相连且另一端接地的电阻R302；所述调谐网络包括一端与晶体管Q300的集电极相连且另一端与电源Vcc相连的电感L300和并联于与电感L300两端的电容C301；其中，所述选频反馈电路F301连接在晶体管Q300的基极和集电极之间；所述输出选频匹配电路F302一端连接在晶体管Q300的集电极且另一端作为射频信号的输出端；射频信号从晶体管Q300的基极输入。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声分数倍频电路，其特征在于，所述晶体管调谐放大电路还包括连接在电源Vcc和地之间的退耦滤波电容C300，一端连接在射频信号输入端且另一端连接在晶体管Q300的基极的隔直电容C304，一端连接在晶体管Q300的集电极且另一端连接在输出选频匹配电路F302的输入端的隔直耦合电容C302，以及一端连接在晶体管Q300的发射极且另一端连接到地的电容C305；其中，其中，所述选频反馈电路F301一端连接在隔直耦合电容C302且另一端连接在晶体管Q300的基极。
3.根据权利要求2所述的一种低噪声分数倍频电路，其特征在于，所述晶体管Q300为高频低噪声晶体管。
4.根据权利要求3所述的一种低噪声分数倍频电路，其特征在于，所述选频反馈电路F301为50MHz低通LC网络，输出选频匹配电路F302为50MHz低通LC网络。
5.根据权利要求3所述的一种低噪声分数倍频电路，其特征在于，所述选频反馈电路F301为50MHz低通LC网络，输出选频匹配电路F302为150MHz高通LC网络。
6.一种低噪声分数倍频电路的实现方法，其特征在于，采用了如权利要求4或5所述的低噪声分数倍频电路，具体过程如下：
选频反馈电路F301选出的反馈频率与射频信号的输入频率fin进行混频，然后进行数学加减运算，经由晶体管Q300放大，在反馈、混频、放大的回路作用下，在晶体管Q300的集电极输出分频信号及其谐波分量，再经由输出选频匹配电路F302输出所需谐波分量，达到分数倍频的目的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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