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。
基本介紹
- 中文名：取樣鎖相源
- 外文名：Samplingphase-locked source
取樣鎖相原理,取樣鎖相頻率源的研製,S 波段取樣鎖相源主要技術指標,S 波段取樣鎖相源設計,S 波段取樣鎖相源環路設計,同軸介質壓控振盪器(CRO)的設計,
頻率源是許多電子系統的關鍵組成部分之一，其主要技術指標包括相位噪聲、雜波抑制、頻率步進、跳頻速度，這四項技術指標是頻率源中最重要的技術指標。在各種頻率源中，通常需要多個點頻源作為本振信號，並對其頻率穩定度、相位噪聲、雜散抑制等指標有很高的要求。
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。
取樣鎖相原理
取樣鎖相環路的工作原理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。
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MSPD2018 型取樣鑒相器，該 鑒 相 器 為 一 個 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。
S 波段取樣鎖相源主要技術指標
要求達到的主要技術指標如下：輸出頻率： 3000MHz；輸出功率： 10±2dBm；諧波/雜波抑制： -30dBc/-70dBc；相位噪聲：（ fm 為頻偏）；-117dBc/Hz （ fm=1kHz）；-124dBc/Hz （ fm=10～100kHz）；-136dBc/Hz （ fm=1MHz）；體積： 57mm×57mm×15mm；功耗： +15V DC/≤180mA。
S 波段取樣鎖相源設計
主要技術途徑對比分析
要實現一個點頻源，採用直接倍頻即可。但是，通常實現 3～5次倍頻，採用直接倍頻的方法可以實現很好的相位噪聲，並且功耗較小；一旦倍頻次數較高，就必須採用如下方案：先倍頻至 300MHz 或 500MHz，再用中功率放大器把信號放大到 0.5W 左右，以驅動諧波發生器產生高次諧波，最後用相應的帶通濾波器濾出高次諧波，再放大，得到想要的點頻信號。
高次倍頻方案有兩個問題： 1）偏離載頻 1～10MHz 左右的相位噪聲較差； 2）功耗較大，通常要求 300mA 以上。對於第一個問題，已將300MHz 的 LC 帶通濾波器改成窄帶的聲表濾波器，這樣可以明顯改善近載頻的相位噪聲，但第二個問題目前很難解決，在要求低功耗的系統中，該方案基本不被採用。
或採用整數分頻鎖相環（ NPLL）也可以實現一個點頻源，但是，目前市面上可以選用的主流整數 N 鎖相環晶片，比如 Q3236、PE3236 等，由於鑒相器要求的鑒相頻率一般小於100MHz，分頻比 N就比較大，只要我們粗略的估算一下，就能知道這樣的方案根本不可能達到要求的相位噪聲指標。
要實現一個點頻源，採用直接倍頻即可。但是，通常實現 3～5次倍頻，採用直接倍頻的方法可以實現很好的相位噪聲，並且功耗較小；一旦倍頻次數較高，就必須採用如下方案：先倍頻至 300MHz 或 500MHz，再用中功率放大器把信號放大到 0.5W 左右，以驅動諧波發生器產生高次諧波，最後用相應的帶通濾波器濾出高次諧波，再放大，得到想要的點頻信號。
高次倍頻方案有兩個問題： 1）偏離載頻 1～10MHz 左右的相位噪聲較差； 2）功耗較大，通常要求 300mA 以上。對於第一個問題，已將300MHz 的 LC 帶通濾波器改成窄帶的聲表濾波器，這樣可以明顯改善近載頻的相位噪聲，但第二個問題目前很難解決，在要求低功耗的系統中，該方案基本不被採用。
或採用整數分頻鎖相環（ NPLL）也可以實現一個點頻源，但是，目前市面上可以選用的主流整數 N 鎖相環晶片，比如 Q3236、PE3236 等，由於鑒相器要求的鑒相頻率一般小於100MHz，分頻比 N就比較大，只要我們粗略的估算一下，就能知道這樣的方案根本不可能達到要求的相位噪聲指標。
實施方案
根據指標要求，為了達到相位噪聲指標，經過各種方案對比分析、綜合考慮以後，決定採用脈衝取樣鎖相環。取樣鎖相是微波高穩定頻率合成中最具有生命力的技術之一，與數字鎖相技術相比，取樣鎖相源具有低相噪、低功耗的優點，更好的遠端相位噪聲。國外許多廠家在工程上通常就是採用該方案，直接在參考頻率的整數倍鑒相，自然可做到分頻比 N 最小，從而降低相位噪聲。
方案中所用的壓控振盪器（ VCO），如果是普通的電晶體 VCO，相位噪聲仍然差 6dB 左右，所以通常採用 CRO 或 DRO 來替代。對應 L～S 波段，通常採用同軸介質壓控振盪器（ CRVCO 或簡稱CRO），相應的鎖相源則稱為 PCRO，對應 C~Ku波段，通常採用介質壓控振盪器（ DRVCO 或簡稱DRO），相應的鎖相源則稱為 PDRO。
由於 CRO 適合用於頻率較低的頻段，頻率較高時 CR 的體積太小，其電參數難以調整，同時我們為了進一步減小體積，已將較低頻段的 CRO、倍頻器、濾波器、放大器全集成到同一電路中，實現了 4～8GHz 範圍內的倍頻 CRO，其相位噪聲和頻率溫度穩定度水平與同頻段的 DRO 相當。倍頻CRO 可替代同頻段的 DRO 用於取樣鎖相電路，體積小，可靠性也高於 PDRO（諧振器採用焊接工藝，且無調諧螺釘）。這個完整的方案體現了倍頻取樣鎖相源的最基本設計思想：採用一個恆溫晶振產生高穩定、高純度的 100MHz 信號作為 PCRO 的外部參考信號，由鎖相環鎖定 CRO 輸出信號，再經二倍頻，最後濾波、放大得到適當功率電平的輸出信號。
方案中所用的壓控振盪器（ VCO），如果是普通的電晶體 VCO，相位噪聲仍然差 6dB 左右，所以通常採用 CRO 或 DRO 來替代。對應 L～S 波段，通常採用同軸介質壓控振盪器（ CRVCO 或簡稱CRO），相應的鎖相源則稱為 PCRO，對應 C~Ku波段，通常採用介質壓控振盪器（ DRVCO 或簡稱DRO），相應的鎖相源則稱為 PDRO。
由於 CRO 適合用於頻率較低的頻段，頻率較高時 CR 的體積太小，其電參數難以調整，同時我們為了進一步減小體積，已將較低頻段的 CRO、倍頻器、濾波器、放大器全集成到同一電路中，實現了 4～8GHz 範圍內的倍頻 CRO，其相位噪聲和頻率溫度穩定度水平與同頻段的 DRO 相當。倍頻CRO 可替代同頻段的 DRO 用於取樣鎖相電路，體積小，可靠性也高於 PDRO（諧振器採用焊接工藝，且無調諧螺釘）。這個完整的方案體現了倍頻取樣鎖相源的最基本設計思想：採用一個恆溫晶振產生高穩定、高純度的 100MHz 信號作為 PCRO 的外部參考信號，由鎖相環鎖定 CRO 輸出信號，再經二倍頻，最後濾波、放大得到適當功率電平的輸出信號。
S 波段取樣鎖相源環路設計
環路設計的兩個重要問題：一是環路輸出相噪要小；二是因為環路工作溫度範圍寬，需要考慮環路在寬溫度工作範圍的穩定性。
相位噪聲的分析
由於PCRO的輸出信號相當於對晶振直接倍頻30次，考慮到鎖相環路的其它附加噪聲，它的相 位 噪 聲 通 常 比 參 考 源 的 相 位 噪 聲 惡 化（ 20lg30+3） dB，可見只要參考信號的相位噪聲優於-150dBc/Hz（ fm=1kHz）， PCRO的輸出信號的相位噪聲可達到-117dBc/Hz（ fm=1kHz）左右。經過二倍頻後，理論上相位噪聲最多惡化6dB，根據工程經驗，我們可以做到6GHz輸出信號的相位噪聲優於-111dBc/Hz（ fm=1kHz）。
由於PCRO的輸出信號相當於對晶振直接倍頻30次，考慮到鎖相環路的其它附加噪聲，它的相 位 噪 聲 通 常 比 參 考 源 的 相 位 噪 聲 惡 化（ 20lg30+3） dB，可見只要參考信號的相位噪聲優於-150dBc/Hz（ fm=1kHz）， PCRO的輸出信號的相位噪聲可達到-117dBc/Hz（ fm=1kHz）左右。經過二倍頻後，理論上相位噪聲最多惡化6dB，根據工程經驗，我們可以做到6GHz輸出信號的相位噪聲優於-111dBc/Hz（ fm=1kHz）。
環路溫度工作穩定性考慮
環路要在-55℃～+70℃溫度範圍工作，輸出頻率的溫度漂移主要有 CR 自身諧振頻率的漂移以及電路其他部分隨溫度變化引起的 CRO 頻率漂移。因此對 CRO 的溫度頻率漂移以及壓控靈敏度應有必要的要求，另外環路中運算放大器零點溫漂也要有所要求。要求 CRO 在工作溫度範圍內頻率漂移小於 2MHz，壓控靈敏度 Kv 為 2π(3~5MHz/V)。同時控制 CRO 的電壓在（ 6 士 5）V 之間，以確保在整個工作溫度範圍內環路能穩定鎖住。
同軸介質壓控振盪器(CRO)的設計
壓控振盪器的設計需要優先考慮的三個問題是相位噪聲、溫度頻率穩定性及壓控靈敏度，所以必須選用高Q值的CR和變容二極體進行穩頻和頻率調諧。
電路中的振盪管採用低噪聲的矽雙極電晶體，反饋電路由加外的電容 C7 構成，電路簡單。CR 放于振盪器基極連線埠構成反射穩頻電路，決定了 CRO 的振盪頻率和相位噪聲。變容二極體D1 正極接地，負極接控制電壓控制變容管電容，從而控制振盪器頻率。 CR 和變容管分別由 C1、C2 弱耦合到振盪電路，否則影響振盪器的相位噪聲。後一級仍為晶體三極體構成的緩衝放大器，以減小負載牽引，並輸出較大的功率。輸出分為兩路，一路直接輸出 8～10dBm 作為取樣鎖相源輸出；另耦合一路輸出 2～3dBm經放大後作為取樣鑒相器（ SPD）電路的輸入。
通常 PCRO 工作在 L~S 波段容易實現較好的相位噪聲性能，只要選取適當的 CR，不倍頻則可得到 L 波段或 S 波段的點頻源（即不裝倍頻器和濾波器）；若倍頻，即可得到 C 波段甚至 X 波段的點頻源（只需適當調整 CRO 和濾波器的設計），這是由於這樣的方案可以實現倍頻效率最高，得到的最終輸出信號相噪可達到最低，並且性能穩定可靠（無調諧螺釘）的緣故。
