取樣鎖相

取樣鎖相頻率源的工作原理是: 用晶振的參考信號產生同頻率的尖脈衝( 或稱之為梳狀譜) 信號， 當振盪器的輸出頻率與參考信號的 N 次諧波頻率相同時， 與微波信號進行比較後輸出的誤差信號經環路濾波器濾波為穩定的直流電壓， 此時振盪器輸出頻率被穩定在 Nfi。

基本介紹

• 中文名：取樣鎖相
• 外文名：Low phase noise

鎖相環頻率合成技術，因其具備可靠性高、 成本低、體積小、性能好等諸多優點而被廣泛套用於微波通信、導航、 雷達、 電子對抗、 遙控遙測以及電子測量中。現階段套用最廣泛的數字鎖相環具有電路簡單、 穩定可靠的特點，但因其採用的有源數字鑒相器、 分頻器等器件噪底較高，在高頻率輸出時，近載頻相位噪聲較差。而取樣鎖相環不使用分頻器並採用無源模擬鑒相器，避免了分頻器的噪底並將鑒相器噪底大幅降低，並且由於取樣保持電路的低通頻率回響特性，取樣鎖相環對鑒相頻率的抑制也較普通數字鎖相環更據優勢，在高頻率、 超低相噪的需求場合具有廣泛的套用前景。

現代雷達技術的不斷發展， 對通信收發設備的重要組成部分頻率源的性能尤其是穩定性指標提出了越來越高的要求。目前電子設備收發信道常用的頻率源大多採用前置分頻鎖相和晶振倍頻鏈相結合的方案。前置分頻鎖相的功能是將參考信號與微波信號的分頻信號，在低頻進行鑒相，分頻器的附加噪聲會帶入到電路中; 晶振倍頻鏈的多級倍頻、 放大、 濾波，使得頻率源的功耗和體積增大，且會帶入高次倍頻器的附加噪聲。
取樣鎖相頻率源的工作原理是: 用晶振的參考信號產生同頻率的尖脈衝( 或稱之為梳狀譜) 信號， 當振盪器的輸出頻率與參考信號的 N 次諧波頻率相同時， 與微波信號進行比較後輸出的誤差信號經環路濾波器濾波為穩定的直流電壓， 此時振盪器輸出頻率被穩定在 Nfi。該方案具有相噪性能優、 功耗低、 體積小的特點，廣泛套用於雷達、 通信等要求較高的領域。

取樣鎖相環工作原理

數字倍頻鎖相環模型實際電路中通常選用數字鑒頻鑒相器（PFD），壓控振盪器（VCO）的輸出經 N 分頻後進入鑒相器與參考頻率鑒相，產生的相差信號經環路濾波器積分，產生直流分量來牽引 VCO 頻率入鎖。而取樣鎖相環模型與數字倍頻鎖相環相比，其採用取樣鑒相器（SPD）代替了 PFD。參考頻率進入脈衝發生電路後產生含有參考信號各次諧波的脈衝，再用其驅動採樣電路，對微波振盪器的信號進行採樣，最後經過保持電路輸出低頻相差信號經環路濾波器的積分，產生直流分量牽引並最終使環路入鎖。VCO 頻率鎖定在參考頻率的 N 次諧波上。

同常規鎖相環路相比，在鑒相器之前加入了脈衝形成電路，用取樣鑒相器替代了普通鑑相器。脈衝形成電路是利用階躍恢復二極體( SRD) ， 將參考信號轉換為同頻率的窄脈衝輸出。套用 SRD 生成窄脈衝的主要機理就是半導體中的電荷存儲效應。取樣鑒相器分取樣和保持兩步來完成鑒相。 取樣脈衝控制取樣開關的通斷，當取樣開關接通時，微波信號為保持電容充電，直到取樣開關斷開，此時保持電容上的電壓將被保持到下個周期， 直到取樣開關再次接通， 形成差拍電壓。 該電壓經環路濾波器處理後對 VCO 頻率進行控制。
環路濾波器是鎖相環路中的重要組成部分， 除了濾除高頻分量外，還具有調整環路參數的作用，對於環路的捕獲特性和穩定性都具有重要作用。因取樣鑒相器鑒相增益較低， 僅為幾十至幾百 mA， 因此， 採用有源的環路濾波器對比較後的誤差電壓信號進行放大。為保證環路順利入鎖， 還需設計擴捕掃描電路。當環路未鎖定時， 擴捕電路開始振盪， 使得 DRO輸出頻率掃過設定頻率，使環路入鎖，環路鎖定後擴捕電路停止振盪。一般將環路濾波器和擴捕振盪電路集成到一個運放晶片上， 利用電路本身的反饋狀態控制擴捕電路能否起振。附加擴捕電路的環路濾波器電路為文氏橋振盪器，採用有源比例積分濾波器作為環路濾波器，其特性接近於理想的積分濾波器， 兩個參數獨立可調， 並具有滯後 － 導前的作用，有助於對環路進行最佳化設計。

取樣鎖相頻率源的研製

該取樣鎖相頻率源用於某接收機本振， 設計的輸出頻率為 12． 5 GHz，輸出功率為 10 dBm， 參考信號為100 MHz，功率為 5 dBm ± 1 dBm， 工作溫度為 － 40 ℃～ + 75 ℃ ，相位噪聲要求 － 120 dBc /Hz@ 100 kHz、－ 130 dBc /Hz@ 1 MHz。
根據以上要求，設計一種介質壓控振盪器( VCO)作為環路 VCO， 該振盪器輸出頻率為 12． 5 GHz， 壓控靈敏度為 2 MHz /V， 相位噪聲指標為 － 100 dBc /Hz@10 kHz， － 120 dBc /Hz@ 100 kHz，頻率溫度漂移( 全溫範圍) 小於 3 MHz，輸出端接緩衝放大器和隔離器， 通過微帶式定向耦合器耦合一路進入環路， 主路作為頻率源的輸出。
選擇雙 平 衡 鑒 相 器 ， 上 限 工 作 頻 率 為18 GHz。為得到較好的取樣脈衝， 需對參考信號進行放大，使參考功率大於 17 dBm。該取樣鑒相器為雙平衡鑑相器，且輸入阻抗較低， 因此， 需用一個平衡 － 不平衡變換器將參考信號轉換為兩路平衡的信號， 並實現阻抗匹配功能。兩個肖特基二極體受取樣脈衝控制，同時打開或關斷，二極體結電容作為保持電容對誤差電壓進行保持， 輸出差拍電壓。

取樣鎖相 DRO 源的基本理論

一個基本的鎖相環由參考信號、 鑒相器、 環路濾波器和 VCO 構成。而對於大的偏離載波頻率， 或者說在 PLL 環路的頻寬之外，則有:So( ωm) ≈ SVCO( ωm) ωm > ωn 由此可看出，要改善輸出頻率的相位噪聲特性，必須做到以下 2 點:( 1) 在環路頻寬以內， 儘量降低參考信號和鑒相器的相位噪聲;( 2) 在環路頻寬以外， 儘量降低 VCO 的相位噪聲。在 X 波段以上實現點頻源， 由於參考信號至輸出頻率的倍頻次數較高，若採用分頻鎖相 VCO 的技術方案，在環路頻寬以內，由於微波分頻及數字基底噪聲的影響，相位噪聲在 20LogN 的基礎上會有多餘的惡化，淹沒了參考信號的噪聲特性; 若採用取樣鎖相 DRO 的技術方案， 在環路頻寬以內， 由於取樣鑒相器是無源器件，噪聲極低，不會惡化參考信號的噪聲特性， 在環路頻寬以外， 由於 DRO 是一種具有高Q 諧振器的 VCO， 其相位噪聲要遠遠好於普通的VCO，因此， 在 X 波段以上實現高質量的點頻源， 取樣鎖相 DRO 技術是首選。取樣鎖相 DRO 頻率源由參考信號、 取樣鑒相器( SPD) 、 環路濾波器、 輔助擴捕電路和介質穩頻振盪器(DRO) 等 5 部分構成。

取樣鎖相 DRO 的工作原理是: 取樣鑒相器把參考信號轉換為重複頻率與參考信號一樣的窄脈衝，參考脈衝對 DRO 的正弦波進行取樣， 保持電路使採樣的電壓保持到下一周期。當 DRO 為參考頻率的整數倍並保持嚴格相位同步時， 取樣鑒相器將輸出一個穩定的直流電壓， 環路鎖定; 否則， 離散的樣品電壓經保持電路將是一個連續的階梯狀差拍電壓，對 DRO 頻率進行牽引， 直至鎖定。取樣鎖相環屬於模擬鎖相環，其鑒相器不具有鑒頻功能。因此， 當開機時 DRO 頻率與參考頻率相差很多， 依靠環路的自捕獲能力不能使環路鎖定，需要引入輔助擴捕電路，對 DRO 進行頻率牽引， 當 DRO 頻率掃描到環路的捕獲帶時，依靠環路的自捕獲能力實現環路鎖定。

DRO 設計要點
並聯反饋型 DRO 由於電路簡單、 頻頻寬、 偏離工作點較遠時產生停振而不跳模等優點被廣泛採用。當不加介質諧振器時， 整個電路是微波放大器的工作狀態，不產生振盪; 當把高 Q 介質諧振器放置在輸出微帶線與輸入微帶線之間時， 通過磁耦合把輸出功率的一部分反饋到柵極， 當反饋相位和反饋功率合適時將產生振盪; 介質諧振器相當於窄帶帶通濾波器， 在介質諧振器的中心頻率處， 反饋最強，相位合適。反饋式介質諧振器穩頻振盪器是利用介質諧振器作為選頻網路， 以達到產生振盪和穩頻的雙重目的。在設計並聯反饋 DRO 時，為了獲得理想的穩頻效果，必須採用單向性好的場效應管， 亦即管子的S12應儘可能小， 希望其值趨近於零， 否則因管子的內反饋作用， 將無法很好地實現預期的穩頻性能。
除此以外，為了能產生振盪， 並有一定的功率輸出，在工作頻率上的放大器功率增益 Kp， 必須大於介質諧振器反饋網路的功率傳輸係數 β 的絕對值， 即 Kp≥ | β |。一般 β = － 5 dB。當前，GaAs FET 的功率增益在 Ku 波段以下均大於此值。在調試 DRO 時，必須保證在不放置介質諧振器時，整個電路不產生頻譜， 或在 20GHz 以上產生幅度低於 － 20 dBm 的頻譜。若不滿足以上 2 條， 應調整電路直到滿足以上條件。然後放置 DR， 調整 DR與耦合微帶線的耦合位置， 使 DRO 起振。DR 放置在一定範圍內， DRO 均可產生穩定振盪。固定好DR 後，通過調整機械調諧螺釘，使 DRO 產生所需頻率。觀察 DRO 窄 帶 頻 率， 若 帶 寬 在 500 kHz 時，DRO 的頻譜穩定， 則說明 DRO 設計成功， 達到 DR穩頻效果。

取樣鎖相環路設計要點
整個環路開機後 DRO 的瞬時頻差有幾 MHz 到十幾 MHz，對於這樣的頻差，取樣鑒相器的鑒相靈敏度很小，後面的有源濾波器也失去了放大作用。因此，取樣環路的捕獲帶遠小於瞬時頻差， 依靠環路的自捕獲能力， 環路不能鎖定， 需要增加輔助擴捕電路，牽引環路入鎖。擴捕電路產生一低頻掃描波形，加到 DRO 的電調端。當環路剛開機或失鎖時， 環路的正反饋增益大於 1， 擴捕電路起振， 牽引 DRO 入鎖。當環路鎖定時， 環路的負反饋增益大於運放的正反饋增益，將迫使 DRO 的控制電壓按環路同步規律變化，則擴捕電路不起振。
擴捕電路採用低頻三角波電路形式， 由斯密斯觸發電路和積分電路構成。擴捕電路的頻率選為幾十 Hz 到幾百 Hz， 由 R1、 R2、R5、 C1 共同決定。擴捕電路將 DRO 牽引入鎖後， 整個鎖相環路的性能由鑒相器、 環路濾波器和 DRO 共同決定。鑒相器提供一定的鑒相靈敏度( k) ， DRO 提供壓控斜率( kv) ，這兩項通常是固定的，環路的調整由環路濾波器的兩個時間常數( τ1， τ2 ) 來實現。由於取樣鑒相器的底噪低，因此， 環路頻寬可取得較寬， 充分利用參考晶振近端優良的噪聲特性; 同時， 環路頻寬取寬，可提高整個取樣環路的可靠性。通常環路頻寬大於 100 kHz，阻尼係數選為 0． 7 ～ 1． 2， 噪聲頻寬由環路頻寬和阻尼係數共同決定。

電路的設計與實現

實際工程套用中常使用的取樣鑒相器內部電路，D1 為階躍恢復二極體（SRD）；C1、 C2 為取樣電容；D2、 D3 為肖特基二極體。SRD 上產生取樣脈衝，肖特基二極體做取樣開關用。

參考部分電路設計
在參考輸入級設計時需著重考慮到以下幾點：首先階躍二極體的輸入阻抗非 50Ω，其阻抗值會隨著輸入功率值的變化而變化；其次在階躍二極體上產生取樣脈衝需要較大的輸入功率，若輸入參考信號功率不足會對產生的取樣脈衝幅度產生影響，導致鑒相器增益降低。
因此電路設計時輸入級選取了高輸出 1db 壓縮點值的放大器並讓其工作在飽和狀態，放大器輸出經濾波後再經射頻變壓器與階躍二極體進行匹配。

取樣鑒相器的輸出
取樣鑒相器輸出端的接法有很多種，為取得較大的誤差電壓，採用將取樣鑒相器差分輸出端接出的方式來實現。 取樣鑒相器兩差分輸出端後接的運放 A2、 A3 配置成跟隨器狀態，利用其高輸入阻抗取得較大的誤差電壓，在滿足環路頻寬的前提下，運放的增益頻寬積不必太大，這樣對泄露過來的參考信號還有一定的濾波作用。 採用差分輸出形式理論上在合路點可以抵消掉泄露過來的殘餘脈衝、 參考信號或額外的直流分量，但實際上由於器件內部取樣脈衝或肖特基二極體的天然不平衡性，需要在合路端增加一個電位器 R11 來實現調零。

擴捕電路

取樣鑒相器的相頻曲線可知，取樣鑒相器由於比普通鑑相器多了一個延遲因子 e-jπω / ωr， 鑒相器本身會提供一定的相移，為保證環路的穩定性，一般都會選擇較窄的環路頻寬使環路的自然角頻率 ωn<<ωr /2，以此來儘量減小鑒相器相移的影響，因此其環路的捕獲帶不會太寬。而由取樣鑒相器的幅頻曲線可知，其低通特性決定了當瞬時頻差較大時，取樣鑒相器輸出的誤差電壓會減小，也會影響捕獲。 綜上所述，考慮到所選的壓控振盪器在開機瞬間的頻偏及高低溫下的頻漂，有可能使取樣鎖相環路失鎖，實際工程套用中往往需要在取樣鎖相環路中加入擴捕電路來輔助環路入鎖。

擴捕電路的種類很多，採用了輔助掃頻的方式，使環路入鎖。即當環路失鎖時擴捕電路啟動產生周期性掃頻電壓，促使壓控振盪器在其調諧範圍內掃頻，使環路快速入鎖；當環路鎖定時，擴捕電路停止工作。 實際工程套用中往往將擴捕電路與環路濾波器綜合設計。