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。一種S 波段小體積、低相噪、低雜散的鎖相源。該鎖相源採用取樣鎖相技術和高 Q 值同軸介質壓控振盪器實現了低相噪、低雜散的特性。通過集成倍頻和濾波器，還可輸出 C 波段信號。
基本介紹
- 中文名：S 波段取樣鎖相源
- 外文名：S-band samplingphase-locked source
主要技術指標,主要技術途徑對比分析,實施方案,環路設計,
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。
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
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
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。
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。
當然，部分器件，包括 ADF4106和 HMC440 在內，雖然也可以直接用 100MHz 鑒相，採用方案都只能達到-105dBc/Hz（ fm=1kHz）左右，為了再改善幾個 dB 的相位噪聲，要把方案變的更複雜，這樣一來，體積、功耗和雜散等指標又難以滿足要求，成本也大大增加。
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）。
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。
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。
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。
