C波段宽带低噪声频率源的研制

摘要：介绍了利用锁相环和混频技术，实现C波段低相噪跳频源的方案，该方案通过两个环路同时实现跳频及混频，步进36 MHz，输出频率4 428～5 220 MHz，具有低相位噪声，低杂散等特点。和以往锁相频率合成的不同之处在于：以往混频时采用主环信号4 428～5 220 MHz作为混频器的RF端，而本方案为可以充分抑制辅环杂散，通过放大器将主环信号放大作为混频器的本振LO端。测试结果表明达到系统对项目的指标要求，该频率合成方案是可行的。
关键词：杂散抑制；频率合成器；低相噪；环路滤波器

    微波频率源是微波通信、微波测量及雷达技术中的重要部件，其相噪性能和杂散性能直接影响到系统的性能和可靠性。因此，寻求更低相位噪声、更高纯度频谱和更高稳定度的频率源成为目前发展的主要趋势。

l 系统主要指标及方案
1．1 系统的主要指标
    输出频率范围：4 428～5 220 MHz；步进频率：36 MHz；相位噪声：≤一100 dBc／

    (3)由于对输出在4 000～4 200 MHz带内的杂散要求比较苛刻，而最佳辅环点频为4 140 MHz，在腔体体积一定下，很难达到一70 dBc指标，故权衡辅环相噪的恶化程度，选择4 320 MHz作为辅环。
    (4)为了防止辅环点频4 320 MHz作为杂散耦合到输出端，故采用功分器和将主环信号4 428～5 220 MHz通过两级放大作为混频器的本振，辅环4 320 MHz点频作为混频器的RF端。该方案选用36 MHz的低相噪恒温晶振作为两个环路的参考源，主环和辅环均选用HITTTITE公司的超低相噪模拟锁相环芯片HMC440，改善系统的相噪性能。辅环参考频率为36 MHz，输出4 320 MHz频点；主环参考频率为36 MHz，输出频率为4 428～5 220 MHz。经定向耦合器后再与辅环输出的频点混频到108～900 MHz，返回到主环鉴相器与参考频率做比较。所有的控制都由单片机来完成，根据外部数据的输入(BCD码)来进行相应的频率输出。

2 电路实现
    在设计单片频率合成器的时候，最主要的工作就是设计频率合成器的环路带宽，使得频率合成器指标在相位噪声、杂散、调频速度和稳定性上等方面达到兼顾，实现最佳的综合性能。
2．1 最佳环路带宽
    由于本项目没有要求跳频速度，所以环路带宽采用最佳带宽设计，使得相位噪声尽可能的好。频率合成器的输出噪声如下：

   
式中Llp(jw)为锁相环芯片的噪声，Lvco(jw)为VCO的相位噪声，Hn(jw)是被N规一化的环路滤波器的传递函数。由上式可以看出环路对带内噪声源呈低通过滤，故希望将环路带宽fc越低越好；但环路对VCO呈高通过滤，又希望环路越宽越好。为了兼顾这一对矛盾，参考图2能够使两种相位噪声都得到合理的抑制，可以选择环路带宽fc在两噪声源谱密度线的交叉点附近总是比较接近于最佳状态的。但是考虑晶振噪声要恶化20log(N／R)，所以实际带宽要略小一些。

2．2 主辅环电路设计
    理论估算带内相噪估算公式(不考虑晶振的相噪)：

   
    辅环的频率相对要高点，为了使系统混频后噪声不恶化，获得较低的相位噪声，这里选用HMC440鉴相芯片，该芯片属于模拟鉴相器，由HMC440技术资料上给出的一153 dBc／

    由HMC440可推出锁相环芯片相噪为一233 dBe／Hz，由上面式(2)可推出：

其中Kd是鉴相器的鉴相灵敏度，这里HMC440的Kd是0．286 V／rad，Kψ是VCO的压控灵敏度(rad／V)，N是锁相环的倍频倍数。阻尼系数ξ为兼顾滤波器的过冲和衰减取0．707～1之间的一个值即可。这样只要C2取定一个值，就可以同时确定R1，R2。C1的引入主要为滤去鉴相器产生的谐波，其引入的极点应远离主极点，即这样环路滤波器就完全确定了。

3 硬件及实测数据
    出于成本方面的考虑，主环的VCO需要输出两个范围频率：4 428～4716 MHz和4 752～5 220 MHz，采用两个VCO用开关进行切换。另外考虑到VCO间的相互影响，可能产生许多杂散，本设计采用VCO断电方式，保证在任一时间，只有一个VCO工作，这样避免了他们之间的相互影响。
    混频采用HMC218LP3无源混频器，由于是无源的，要求本振功率比较大，所以主环输出要经过两级放大器HMC3llLP3。在调试过程中发现，由于放大器的非线性，使本振的谐波分量增大，所以第二级放大器放大到10 dBm左右驱动HMC218LP3的LO本振端，避免放大器进入饱和状态。另外对辅环的点频4 320 MHz，通过调试当到达HMC218LP3的RF端口信号为一7 dBm左右时取得较佳的杂散和相噪指标。

    相位噪声，杂散抑制，谐波抑制和输出功率均采用惠普公司的频谱分析仪HP8564E测量，在系统切换VCO最差相噪点5 220 MHz处相位噪声可以达到一104．5 dBc／

4 结语
    本文给出了C波段宽带低噪声频率源的一种方案，用主环驱动本振，试验测试数据表明此方案可行。相信经过认真设计，调试，完全可以达到预期目标。