YTO驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及優(yōu)化

韓堯

【摘要】介紹了現(xiàn)代頻譜分析儀中YTO驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和優(yōu)化?，F(xiàn)代頻譜分析儀普遍采用FFT分析和掃描分析相結(jié)合的方式，YTO通常作為頻譜分析儀的掃頻本振。該驅(qū)動(dòng)電路利用帶反饋的開(kāi)關(guān)切換電路，不但滿足FFT分析時(shí)的低相噪要求，同時(shí)滿足掃頻分析時(shí)的掃描速度要求。該電路已成功應(yīng)用在頻譜分析儀中。

【關(guān)鍵詞】YTO;FFT分析;掃頻分析;相位噪聲;掃描速度

1.引言

現(xiàn)代高性能的寬帶頻譜分析儀采用超外差式的掃頻方案。被測(cè)的RF信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)變頻處理，變至較低的中頻上。然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。最后利用數(shù)字化中頻技術(shù)及DSP芯片完成剩余處理。在分析頻率帶寬較窄時(shí)，通常利用帶通采樣定理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并采用FFT技術(shù)完成該測(cè)量范圍的瞬時(shí)分析，速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于掃描外差式方案，并且分辨率較高，由于芯片最高采樣速率的限制，頻譜分析儀都有一個(gè)最大的實(shí)時(shí)分析帶寬。為了更好的滿足不同測(cè)試環(huán)境的要求，現(xiàn)代頻譜分析儀普遍采用FFT分析和掃描分析相結(jié)合的分析模式，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)窄帶和寬帶的快速頻譜分析。

掃頻本振是頻譜分析儀的關(guān)鍵組成部分。由于頻譜分析儀頻率跨度大，傳統(tǒng)的壓控振蕩器（VCO）是窄帶器件，只能在較窄的頻段內(nèi)保持較好的相位噪聲，而YTO是寬帶器件，是以YIG（釔鐵鉐榴石）小球?yàn)橹C振子、微波晶體管為有源器件的固態(tài)微波信號(hào)源，其輸出頻率與內(nèi)部調(diào)諧磁場(chǎng)有較好的線性關(guān)系，并且可以在很寬的頻段內(nèi)具有優(yōu)異的相位噪聲。

頻譜分析儀的兩種分析模式對(duì)應(yīng)著掃頻本振的兩種輸出方式：?jiǎn)吸c(diǎn)頻率輸出和掃頻輸出。FFT分析對(duì)應(yīng)于單點(diǎn)頻率輸出，此時(shí)本振輸出頻率不變，處于鎖定狀態(tài)，要求更低的相位噪聲。掃描分析則對(duì)應(yīng)于掃頻輸出，希望本振較快完成較寬頻率跨度的掃描，并且輸出頻率線性變化。

圖1 YTO線圈結(jié)構(gòu)圖

2.YTO工作原理

YTO內(nèi)部的調(diào)諧磁場(chǎng)由主線圈（TUNE+和TUNE-）和副線圈（FM+和FM-）兩部分組成，前者感抗大、調(diào)諧慢，但調(diào)諧靈敏度高、調(diào)諧范圍寬、高頻干擾抑制好;后者感抗小從而調(diào)諧范圍窄，但調(diào)諧速度快，并因?yàn)檎{(diào)諧靈敏度低而具有良好的干擾抑制特性。二者結(jié)合使用特別有利于大范圍調(diào)諧又需要快速修正的寬帶信號(hào)源，YTO線圈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

YTO是電流控制振蕩器，所以主線圈和副線圈必須由電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的工作原理為：主線圈起到粗調(diào)預(yù)置頻率的作用，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將YTO預(yù)置到指定振蕩頻率附近±10MHz的范圍內(nèi)，這部分電路是在鎖相環(huán)路之外的，預(yù)置完成后振蕩器在指定頻點(diǎn)±10MHz的范圍內(nèi)擺動(dòng)，然后副線圈（FM線圈）開(kāi)始起作用，其實(shí)調(diào)頻線圈就是用來(lái)進(jìn)行鎖相的。與傳統(tǒng)的鎖相環(huán)不同的是，需要將誤差電壓轉(zhuǎn)換成誤差電流來(lái)驅(qū)動(dòng)FM線圈完成環(huán)路鎖定。

3.YTO驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

YTO是由調(diào)諧電流控制YIG小球的外加偏置磁場(chǎng)，從而控制輸出振蕩頻率，實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)快速調(diào)諧。理想情況下，YIG小球諧振器與其所加的磁場(chǎng)具有調(diào)諧線性關(guān)系，可根據(jù)關(guān)系式f=rH，在這里，H是應(yīng)用的磁場(chǎng)，y大概為2.8.磁場(chǎng)與流過(guò)磁性材料的電流成正比，因此要實(shí)現(xiàn)線性頻率掃描就要求有線性電流源。

因?yàn)閅TO主驅(qū)動(dòng)線圈電流每變化1mA，輸出頻率將會(huì)變化20MHz，對(duì)調(diào)諧電流的變化十分敏感，通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)YTO來(lái)保證其輸出頻率的穩(wěn)定性。恒流源采用運(yùn)放加CMOS場(chǎng)效應(yīng)管的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。其中V1為預(yù)置電壓，與YTO輸出頻率相關(guān)。當(dāng)CMOS管VGS大于開(kāi)啟電壓時(shí)，運(yùn)放工作在負(fù)反饋的狀態(tài)下，運(yùn)放V-為“虛斷路”，所以流經(jīng)電阻R3和R4的電流為0，V+的電壓就是預(yù)置電壓，R1兩端的電壓就是V-。利用“虛短路”分析可知，V+=V-，R1兩端的電壓就是預(yù)置電壓，那么流過(guò)R1的電流就是V1/R1，又根據(jù)CMOS管的工作特性，流過(guò)R1的電流就是流過(guò)YTO的電流，因此流經(jīng)YTO調(diào)諧線圈的電流為V1/R1，從而完成預(yù)置電壓到Y(jié)TO調(diào)諧電流之間的轉(zhuǎn)換。

圖2 YTO驅(qū)動(dòng)電路原理圖

由以上分析可以看出，R1與調(diào)諧電流之間關(guān)系非常密切，該電阻的溫漂直接影響調(diào)諧電流的穩(wěn)定度，從而影響YTO輸出頻率的穩(wěn)定度。另外由于YTO的主線圈的調(diào)諧靈敏度為20MHz/mA，當(dāng)上限頻率為10GHz時(shí)，大約需要500mA的電流，因此在選擇電阻時(shí)盡可能考慮較低的溫度系數(shù)，并且考慮功耗。

圖3 單開(kāi)關(guān)切換電路

圖4 帶反饋開(kāi)關(guān)控制電路

圖5 開(kāi)關(guān)閉合前后相位噪聲對(duì)比

4.YTO驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化

由于YTO主線圈調(diào)諧靈敏度較高，容易受到噪聲干擾，所以為了穩(wěn)定輸出頻率、降低相噪，一般在調(diào)諧+和調(diào)諧-之間增加大電容，通常為數(shù)十微法級(jí)。大電容的存在雖然減少了調(diào)諧電壓上的紋波，從而改善了YTO輸出信號(hào)的相位噪聲，但會(huì)使得YTO頻率改變的切換時(shí)間加長(zhǎng)，從而降低YTO掃描的速度。為了兼顧頻譜分析儀在FFT分析模式和掃頻分析模式下對(duì)于YTO輸出信號(hào)的不同要求，考慮在FFT分析模式時(shí)，濾波電容處于調(diào)諧+和調(diào)諧-端，保證信號(hào)的低相噪;而在掃頻分析模式時(shí)，濾波電容處于斷開(kāi)狀態(tài)，從而保證掃描速度。

為了實(shí)現(xiàn)濾波電容的并入和斷開(kāi)，可采用較為簡(jiǎn)單的方式，即在電容與調(diào)諧+之間增加一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)模式控制信號(hào)進(jìn)行切換，如圖3所示。然而，這種方式會(huì)引入新的問(wèn)題。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，則電容所在支路處于開(kāi)路狀態(tài)，那么電容兩端的電壓同為-12V，如果此時(shí)進(jìn)入FFT分析模式，則開(kāi)關(guān)閉合，那么電容一端的電壓則需要從-12V跳變到Tune+電壓，而電容兩端的電壓是不能跳變的，因此會(huì)引起YTO調(diào)諧端口電壓的變化，從而導(dǎo)致YTO輸出頻率的變化。

因此為了保證電容切換前后的電壓與調(diào)諧電壓始終保持一致，采用帶反饋的控制電路實(shí)現(xiàn)切換，具體如圖3所示。

圖4中C1是并聯(lián)在YTO調(diào)諧線圈兩端的電容，通常為幾十微法，也就是需要進(jìn)行切換的電容。K1和K2是完成開(kāi)關(guān)功能的場(chǎng)效應(yīng)管，二者導(dǎo)通條件相反。當(dāng)進(jìn)行FFT分析時(shí)，將K2導(dǎo)通，K1斷開(kāi)，此時(shí)C1的一端與Tune（+）相連，另一端與Tune（-）相連，因此C1與YTO調(diào)諧線圈兩端相并聯(lián)，從而滿足頻譜分析儀對(duì)于YTO輸出信號(hào)的低相噪要求。當(dāng)進(jìn)行掃頻分析時(shí)，將K1導(dǎo)通，K2斷開(kāi)，此時(shí)C1的一端與Tune（-）相連，另一端通過(guò)運(yùn)放的負(fù)反饋?zhàn)饔门cTune（+）電壓相一致，但此時(shí)C1與YTO調(diào)諧線圈斷開(kāi)，從而滿足頻譜分析儀對(duì)于YTO掃描速度的要求。并且C1兩端的電壓始終與YTO調(diào)諧端電壓保持一致，這就保證了C1切換前后不會(huì)影響YTO調(diào)諧端的電壓，因此不會(huì)改變YTO輸出頻率，引起輸出頻率的波動(dòng)。

由于K1和K2采用場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，增加了比較和鉗位電路。比較器輸入的一端接1.2V作為參考電壓，另一端接FPGA中輸出的開(kāi)關(guān)控制電壓（0V或3.3V），輸出電壓約為上拉電壓或負(fù)電源電壓。為了保證場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓差，通過(guò)利用兩個(gè)二極管的電壓鉗位作用，從而確保K1和K2一個(gè)斷開(kāi)，一個(gè)閉合。

5.測(cè)試結(jié)果

當(dāng)頻譜分析儀中YTO本振處于掃描狀態(tài)時(shí)，為了減小大電容對(duì)掃描頻率滯后的影響，一般斷開(kāi)濾波大電容通路，用增加相位噪聲來(lái)?yè)Q取快速、準(zhǔn)確掃頻的目的。如圖5所示，是帶反饋的開(kāi)關(guān)控制電路開(kāi)關(guān)閉合前后輸出頻點(diǎn)5000MHz頻譜對(duì)比。圖5中黃色曲線為電路開(kāi)關(guān)閉合，即濾波大電容作用下的輸出頻譜，明顯優(yōu)于圖中藍(lán)色曲線，即電路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的輸出頻譜。

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)關(guān)控制調(diào)諧端濾波電容的開(kāi)斷，不僅可以兼顧FFT分析模式下對(duì)相位噪聲的要求，還可以滿足掃頻分析模式下對(duì)YTO掃描速度的要求。同時(shí)，該電路還可應(yīng)用于對(duì)YTO頻率切換速度要求較高的場(chǎng)合，斷開(kāi)YTO調(diào)諧端的濾波電容，會(huì)大大改善頻率切換時(shí)間。該電路已成功應(yīng)用于頻譜分析儀中，并改進(jìn)了相位噪聲、掃描時(shí)間和掃描準(zhǔn)確度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]總裝備部司令部通信局，電子41研究所.現(xiàn)代通信測(cè)量?jī)x器[M].軍事科學(xué)出版社.

[2]班萬(wàn)榮.頻譜分析儀的原理和發(fā)展[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（7）：101-102.

[3]魏巖.一種實(shí)用YTO驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2007（24）：108-109.