CN116781070A - 一种高质量频谱的小型化点频源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高质量频谱的小型化点频源，主要解决现有间接合成频率源输出频谱质量（相位噪声）相对较差的问题。该点频源包括第一功分器、第二功分器、谐波发生电路、滤波电路、混频电路、分频电路、集成压控振荡器、鉴相器、单片机、单刀双掷开关以及第一环路滤波电路、第二环路滤波电路。该电路通过单刀双掷开关选择第一环路滤波电路让集成VCO锁定产生f信号，单片机检测到集成VCO的锁定指示为高时，单刀双掷开关选择第二环路滤波电路，集成VCO的锁相环仅作VCO用，通过鉴相器锁集成VCO。外部参考100MHz作参考时钟，锁回环频率100MHz，有效的降低倍频次数，优化输出信号相位噪声。

Description

一种高质量频谱的小型化点频源

技术领域

本发明涉及雷达通信技术领域及频率合成领域，具体地说，是涉及一种高质量频谱的小型化点频源。

背景技术

目前广泛应用的频率源合成方案主要可以分为直接频率合成和间接频率合成两大类。直接合成的频率源，是将参考信号通过倍频(×)、混频(+/-)或分频(÷)等方法合成所需要的频点，具有最优的近端相位噪声和高速捷变频特性，但结构复杂、成本昂贵的特点限制其只能应用于雷达等高端应用领域。间接频率合成的频率源，是通过一个相位跟踪(锁定)自动控制闭环系统，将系统中振荡器的频率与参考信号进行相位锁定，从而间接合成所需的任意频点，但常规的间接合成频率源输出频谱质量（相位噪声）相对较差，不适合直接用作高质量的频率源。

如图1、图2所示，为现有的锁相环（PLL）式频率源，电路简单，杂散抑制较好，但是相位噪声较差，只有-98dBc/Hz@1KHz。

如图3所示，为现有的直接合成式频率源，输出相位噪声好，但是电路复杂，杂散抑制较差，体积大，成本高。

因此，目前急需一种小型化的输出高质量频谱的点频源设计方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高质量频谱的小型化点频源，主要解决现有间接合成频率源输出频谱质量（相位噪声）相对较差的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高质量频谱的小型化点频源，包括将外部参考时钟信号功分为两路参考时钟信号的第一功分器，将其中一路参考时钟信号再功分为两路的第二功分器，接收第一功分器的另一路参考时钟信号的谐波发生电路，输入端与谐波发生电路的输出端相连的滤波电路，射频信号输入端与滤波电路的输出端相连的混频电路，输出端与混频电路的另一个输入端相连用于为混频器提供本振信号的分频电路，参考时钟信号输入端分别接入第二功分器输出的两路参考时钟信号的集成压控振荡器和鉴相器，与集成压控振荡器和鉴相器均相连的单片机，固定端与集成压控振荡器的控制端相连的单刀双掷开关，以及输入端分别连接于集成压控振荡器的输出端和鉴相器的输出端、输出端分别连接于单刀双掷开关的两个自由端的第一环路滤波电路、第二环路滤波电路；其中，混频电路的输出端与鉴相器的射频输入端相连；分频电路的输入端与集成压控振荡器的射频输出端口RFB相连；集成压控振荡器的射频输出端口RFA经第一放大器输出f频率信号。

进一步地，在本发明中，所述谐波发生电路采用谐波发生器。

进一步地，在本发明中，所述滤波电路采用带通滤波器。

进一步地，在本发明中，所述混频电路包括射频输入端与带通滤波器的输出端相连的混频器，输入端与混频器的中频信号输出端相连的低通滤波器，以及输入端与低通滤波器的输出端相连且输出端与鉴相器的射频输入端相连的第二放大器；其中，所述混频器的本振信号输入端与分频电路的输出端相连。

进一步地，在本发明中，所述分频电路包括输入端与集成压控振荡器的射频输出端口RFB相连的第三放大器，输入端与第三放大器的输出端相连的分频器，以及输入端与分频器的输出端相连且输出端与混频器的本振信号输入端相连的第四放大器。

进一步地，在本发明中，所述第一环路滤波电路和第二环路滤波电路的电路结构相同；所述第一环路滤波电路包括一端与集成压控振荡器的输出端相连的电容C1、电阻R1、电阻R2，与电阻R1另一端相连并接地的电容C2，以及与电阻R2另一端相连并接地的电容C3，其中，电容C1的另一端接地；电阻R2、电容C3的公共端与单刀双掷开关的一个自由端相连；

所述第二环路滤波电路包括一端与鉴相器的输出端相连的电容C4、电阻R3、电阻R4，与电阻R3另一端相连并接地的电容C5，以及与电阻R4另一端相连并接地的电容C6，其中，电容C4的另一端接地；电阻R4、电容C6的公共端与单刀双掷开关的另一个自由端相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过单刀双掷开关选择第一环路滤波电路让集成VCO锁定产生f信号，单片机检测到集成VCO的锁定指示为高时，单刀双掷开关选择第二环路滤波电路，集成VCO的锁相环仅作VCO用，通过鉴相器锁集成VCO。外部参考100MHz作参考时钟，锁回环频率100MHz，有效的降低倍频次数，优化输出信号相位噪声。

（2）本发明选择具备两个端口输出的集成VCO，可以减少回环功分器的使用，第一环路滤波路和第二环路滤波器采用无源环路滤波器，且两个环路的CP均采用相同的供电电压，链路中的带通滤波器选择声表滤波器，低通滤波器选择LTCC滤波器，实现了产生高质量频谱式点频源的小型化。

附图说明

图1为现有技术中常规锁相环（PLL）式频率源的电路结构示意图。

图2为常规锁相环（PLL）式频率源输出10GHz的相位噪声曲线。

图3为现有技术中直接合成式频率源的电路结构示意图。

图4为本发明的频率源电路结构示意图。

图5为本发明的频率源输出10GHz的相位噪声曲线。

图6为本发明的一种频率源的外形尺寸示意图。

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4所示，本发明公开的一种高质量频谱的小型化点频源，包括将外部参考时钟信号功分为两路参考时钟信号的第一功分器，将其中一路参考时钟信号再功分为两路的第二功分器，接收第一功分器的另一路参考时钟信号的谐波发生电路，输入端与谐波发生电路的输出端相连的滤波电路，射频信号输入端与滤波电路的输出端相连的混频电路，输出端与混频电路的另一个输入端相连用于为混频器提供本振信号的分频电路，参考时钟信号输入端分别接入第二功分器输出的两路参考时钟信号的集成压控振荡器和鉴相器，与集成压控振荡器和鉴相器均相连的单片机，固定端与集成压控振荡器的控制端相连的单刀双掷开关，以及输入端分别连接于集成压控振荡器的输出端和鉴相器的输出端、输出端分别连接于单刀双掷开关的两个自由端的第一环路滤波电路、第二环路滤波电路；其中，混频电路的输出端与鉴相器的射频输入端相连；分频电路的输入端与集成压控振荡器的射频输出端口RFB相连；集成压控振荡器的射频输出端口RFA经第一放大器输出f频率信号。集成压控振荡器选择具备两个端口输出的集成VCO，可以减少回环功分器的使用。

在本实施例中，所述混频电路包括射频输入端与带通滤波器的输出端相连的混频器，输入端与混频器的中频信号输出端相连的低通滤波器，以及输入端与低通滤波器的输出端相连且输出端与鉴相器的射频输入端相连的第二放大器；其中，所述混频器的本振信号输入端与分频电路的输出端相连。其中，所述低通滤波器选择LTCC滤波器。

在本实施例中，所述分频电路包括输入端与集成压控振荡器的射频输出端口RFB相连的第三放大器，输入端与第三放大器的输出端相连的分频器，以及输入端与分频器的输出端相连且输出端与混频器的本振信号输入端相连的第四放大器。在该分频电路中，通过回环分频产生f/N信号，通过带通滤波器选择出谐波发生器产生的（f/N-100）MHz，两个信号混频产生100MHz的回环频率，外部参考100MHz，通过100MHz锁100MHz，降低倍频此次提高输出信号的相位噪声。所述第三放大器用于对回环频率f信号放大，并隔离分频混频带来的杂散，防止其串到VCO输出端口。所述分频器用于对回环频率f信号N分频产生f/N信号，所述第四放大器用于对f/N信号放大。

本实施例以100MHz外部参考时钟信号为例，在本实施例中，所述谐波发生电路采用谐波发生器，用于产生梳状谱信号；所述滤波电路采用带通滤波器。具体为声表滤波器，用于对输出的梳状谱信号选择出（f/N-100）MHz的信号。

100MHz信号经第一功分器功分两路，其中一路为谐波发生器提供参考时钟信号，另一路经第二功分器再功分为两路，分别为集成VCO或鉴相器提供参考时钟信号，集成VCO的RFA端口经第一放大器输出f频率信号，RFB端口输出信号经放大器1放大后，经N分频产生f/N信号，f/N信号经第四放大器放大后为混频器提供本振信号，谐波发射器产生的梳状谱信号经带通滤波器选择出（f/N-100）MHz信号与f/N混频产生100MHz信号，然后通过低通滤波器滤除混频交调杂散信号，再经第二放大器放大后为鉴相器提供回环信号。单刀双掷开关首先选择第一环路滤波电路让集成VCO锁定产生f信号，单片机检测到集成VCO的锁定指示为高时，单刀双掷开关再选择第二环路滤波电路，集成VCO的锁相环仅作VCO用，通过鉴相器锁定集成VCO。外部参考100MHz作参考时钟，锁回环频率100MHz，有效的降低倍频次数，优化输出信号相位噪声。本实施例中的锁相点频源输出10GHz时的相位噪声如图5所示，相位噪声≤-122dBc/Hz@1kHz，如图6所示，其尺寸可以做到38mm*38mm*10mm，实现了产生高质量频谱式频率源的小型化。

在本实施例中，所述第一环路滤波电路和第二环路滤波电路的电路结构相同；所述第一环路滤波电路包括一端与集成压控振荡器的输出端相连的电容C1、电阻R1、电阻R2，与电阻R1另一端相连并接地的电容C2，以及与电阻R2另一端相连并接地的电容C3，其中，电容C1的另一端接地；电阻R2、电容C3的公共端与单刀双掷开关的一个自由端相连。第一环路滤波电路用于对集成VCO预置锁定。

所述第二环路滤波电路包括一端与鉴相器的输出端相连的电容C4、电阻R3、电阻R4，与电阻R3另一端相连并接地的电容C5，以及与电阻R4另一端相连并接地的电容C6，其中，电容C4的另一端接地；电阻R4、电容C6的公共端与单刀双掷开关的另一个自由端相连。第一环路滤波电路和第二环路滤波电路采用无源环路滤波器，且两个环路的CP均采用相同的供电电压。

通过上述设计，本发明通过单刀双掷开关选择第一环路滤波电路让集成VCO锁定产生f信号，单片机检测到集成VCO的锁定指示为高时，单刀双掷开关选择第二环路滤波电路，集成VCO的锁相环仅作VCO用，通过鉴相器锁集成VCO。外部参考100MHz作参考时钟，锁回环频率100MHz，有效的降低倍频次数，优化输出信号相位噪声。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

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)

1.一种高质量频谱的小型化点频源，其特征在于，包括将外部参考时钟信号功分为两路参考时钟信号的第一功分器，将其中一路参考时钟信号再功分为两路的第二功分器，接收第一功分器的另一路参考时钟信号的谐波发生电路，输入端与谐波发生电路的输出端相连的滤波电路，射频信号输入端与滤波电路的输出端相连的混频电路，输出端与混频电路的另一个输入端相连用于为混频器提供本振信号的分频电路，参考时钟信号输入端分别接入第二功分器输出的两路参考时钟信号的集成压控振荡器和鉴相器，与集成压控振荡器和鉴相器均相连的单片机，固定端与集成压控振荡器的控制端相连的单刀双掷开关，以及输入端分别连接于集成压控振荡器的输出端和鉴相器的输出端、输出端分别连接于单刀双掷开关的两个自由端的第一环路滤波电路、第二环路滤波电路；其中，混频电路的输出端与鉴相器的射频输入端相连；分频电路的输入端与集成压控振荡器的射频输出端口RFB相连；集成压控振荡器的射频输出端口RFA经第一放大器输出f频率信号。

2.根据权利要求1所述的一种高质量频谱的小型化点频源，其特征在于，所述谐波发生电路采用谐波发生器。

3.根据权利要求2所述的一种高质量频谱的小型化点频源，其特征在于，所述滤波电路采用带通滤波器。

4.根据权利要求3所述的一种高质量频谱的小型化点频源，其特征在于，所述混频电路包括射频输入端与带通滤波器的输出端相连的混频器，输入端与混频器的中频信号输出端相连的低通滤波器，以及输入端与低通滤波器的输出端相连且输出端与鉴相器的射频输入端相连的第二放大器；其中，所述混频器的本振信号输入端与分频电路的输出端相连。

5.根据权利要求4所述的一种高质量频谱的小型化点频源，其特征在于，所述分频电路包括输入端与集成压控振荡器的射频输出端口RFB相连的第三放大器，输入端与第三放大器的输出端相连的分频器，以及输入端与分频器的输出端相连且输出端与混频器的本振信号输入端相连的第四放大器。

6.根据权利要求5所述的一种高质量频谱的小型化点频源，其特征在于，所述第一环路滤波电路和第二环路滤波电路的电路结构相同；所述第一环路滤波电路包括一端与集成压控振荡器的输出端相连的电容C1、电阻R1、电阻R2，与电阻R1另一端相连并接地的电容C2，以及与电阻R2另一端相连并接地的电容C3，其中，电容C1的另一端接地；电阻R2、电容C3的公共端与单刀双掷开关的一个自由端相连；

所述第二环路滤波电路包括一端与鉴相器的输出端相连的电容C4、电阻R3、电阻R4，与电阻R3另一端相连并接地的电容C5，以及与电阻R4另一端相连并接地的电容C6，其中，电容C4的另一端接地；电阻R4、电容C6的公共端与单刀双掷开关的另一个自由端相连。