混频环锁相部分实现
混频环锁相器采用大规模集成电路ADF4106BRU 实现 ,该器件主要特点是集成度高 , 体积小 ,功耗低 ,本底相位噪声非常低 。其内部主要集成了数字鉴相器 、电荷泵 、参考分频器 、双模前置分频器 、 A 计数器及 B 计数器 。由于集成度非常高 ,大大减少了外围电路 , 该器件采用了 TSSOP16 脚封装 ,体积非常小 ,这样就可使整个电路板做小 。在 0. 5 MHz鉴相频率时 ,其本底相噪指标可达到 -162 dBc/Hz ,这样就保证了输出得到很低的相噪指标 。其本底相噪指标较以往常用的锁相集成电路高很多 。由于 ADF4106BRU 采用了电荷泵 ,其鉴相输出为电流, 主要功能为实现环路滤波及实现电流到电压的转换 。与经常运用的电压型二阶有源滤波器有区别 。由于外接振荡器电压控制范围非常宽 ,所以采用了有源滤 波 器 。 计 算出环路参数 ,并可 根据 相位噪声及相位余量等指标进行优化 , 得到最佳的 1组环路参数 。YTO振荡器粗调电压可加快频率转换时间 , 并防止环路错锁 。由锁相环理论可知 , 粗调电压引入的为高通型噪声 , 为了加强对粗调电压引入噪声的抑制 ,需要环路带宽要宽一些 ,即其中环路自由振荡频率 ω n 设计的要较大 。这样既可加强对粗调电压引入噪声的抑制 ,又可加快环路的换频时间 。另外为了加强对鉴相频率的抑制 ,在环路滤波器后面加入一级 LC 低通滤波器 。LC 低通的截止频率要远大于环路自由振荡振荡频率 ω n ,这样其对环路相位余量的影响可忽略不计 。
混频环振荡器部分实现
由于混频环振荡器需要倍频程的频率范围 ,在这么高的频率上 , 普通 VCO 很难实现倍频程的频率范围 ,只能采用分段实现 , 但这样会使实现方案复杂 。本次设计采用了 YIG 调谐振荡器 , 简称 YTO 。YTO的突出优点是频带宽 , 线性度好 , 频谱纯度较好 ,这是普通的 VCO 所无法比拟的 ,其中 , YTO 的相位噪声远低于普通 VCO 。在输出频率为 4 ～ 8 GHz时 ,其典型相噪指标为 : -100 dBc/Hz( @10 kHz) ,-120 dBc /Hz( @100 kHz) 。
YTO是以 YIG 小球为谐振子 , 微波晶体管为有源器件的振荡器 , 其输出频率与内部调谐磁场有很好的线性关系 。内部调谐磁场主要由主线圈和副线圈( FM 线圈) 组成 , 前者感抗大 , 调谐慢 , 但灵敏度高 ,可用作粗调 ; 后者感抗小 ,调谐范围窄但调谐速度快 ,可用作细调 。二者结合使用 ,有利于在既需要大范围调谐又需要快速修正的微波频率合成器中应用 。其中粗调端接系统控制部分产生的预制电压 ,细调端接环路滤波器输出 。
梳状谱发生器实现
梳状谱发生器实质就是倍频器 ,倍频器的原理就是利用器件的非线性产生谐波 , 目前常用的倍频器件有变容二极管及阶跃恢复二极管 。阶跃恢复二极管同变容二极管相比 ,倍频效率高 ,更适宜高次倍频 。阶跃恢复二极管 , 其缩写为 SRD ,结构类似于变容二极管 。在正弦信号下 ,它会呈现与普通二极管不同的电流波形 , 对于普通二极管正向时导通 , 反向截止 ,而阶跃恢复二极管在电压反向时 ,并不立即截止 , 继续有很大的反向电流流通 ,直到某一时刻才迅速跳变至截止 , 形成一个很陡峭的阶跃 。这一阶跃包含丰富的高次谐波分量 , 只要电路设计合适 , 就可从输出电路中获得所需要的高次谐波 , 从而实现高次倍频 。
梳状谱发生器主要包括偏置电路 、匹配电路 、谐振电路 、脉冲产生几部分组成 。梳状谱发生器后面接 YIG 滤波器 ,通过精确控制 YIG 滤波器的选择电压 ,就可以输出所要求的频率 。与采用滤波器组相比 ,实现更加简单 ,控制更方便 。
由于整个环路输出的相噪指标主要取决于梳状谱发生器的相噪指标 , 而梳状谱发生器的相噪指标基本符合 20 lgN 的相噪恶化 , 由电路引入的附加噪声很小 。其中 N 为输出频率与晶振的倍频比 。100 MHz 晶振 的 相位 噪声 指 标为 -155 dBc/Hz(@10 kHz) , 梳 状 谱 的 倍 频 次 数 最 多 达 到7 800/100 =78 , 则相应的相位噪声指标为 -155 20lg78 =-117 dBc/Hz 。如果选择单环方案 , 分频比将高达 8 000/0. 5 =16 000 , 相噪将恶化 20lg16 000 =84 dB ,最终相噪只能达到 -155 84 =-71 dBc/Hz 。
二倍频器实现
4 ～ 8 GHz 输出经二倍频器后得到 8 ～ 16 GHz 的高段输出 。二倍频器采用HMC204C8 实现 ,该器件为 8 脚贴装小封装 ,输入频率范围为 4 ～8 GHz , 采用无源电路设计 , 典型输入信号电平为 15 dBm , 使用 非常 简单 。 带 外杂 波抑 制可 达40 dBc ,变频损耗 16 dB , 输入输出无需额外匹配电路 ,使用非常简单 。
