一種低雜散低相噪頻率源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程建斌 ，鐘耀霞

（1.中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214072；2.電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引言

隨著微波通信技術(shù)的快速發(fā)展，對接收機(jī)的靈敏度要求越來越高，作為各類接收機(jī)的心臟，頻率源需要為其提供高性能的本振信號，它的相位噪聲指標(biāo)成為制約接收機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。為了改善頻率源的相噪，國內(nèi)外很多公司和科研機(jī)構(gòu)開展了很多這方面的研究，也提出了各種有效的方法。這些方法有的從構(gòu)成鎖相環(huán)的相位噪聲來源直接分析[1-2]，更多的從實(shí)現(xiàn)方式來分析，包括新型直接合成[3]、DDS 和鎖相環(huán)芯片混合技術(shù)[4]、自偏置[5]、諧波混頻[6]、新型多級自諧波混頻[7]和級聯(lián)式偏置[8]、混頻環(huán)[9]等。這些方法要么采用直接合成，方案復(fù)雜且體積大；要么是針對寬帶低相噪系統(tǒng)的，方案實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，而且價(jià)格高，面對一些特殊的應(yīng)用會造成系統(tǒng)的復(fù)雜度提高?；谀承┨囟☉?yīng)用環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一種可用于頻率間隔固定的低相噪頻率源，利用最新的低相噪合成器芯片，同時(shí)采用諧波發(fā)生器產(chǎn)生低相噪的固定射頻信號來參與混頻，最終降低頻率源的反饋分頻比的方法來改善相噪。對采用該方法設(shè)計(jì)的頻率源的相噪指標(biāo)進(jìn)行了測試，經(jīng)過對比測試指標(biāo)和理論指標(biāo)，證明該設(shè)計(jì)方法符合要求，可以在滿足特定要求的場合使用。

1 工作原理

低相噪頻率源的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：工作頻率13.75 GHz～16.25 GHz（不包含15 GHz），步進(jìn)250 MHz，相噪優(yōu)于-102 dBc/Hz@1kHz，雜散優(yōu)于65 dB。

該頻率源的特點(diǎn)在于相噪指標(biāo)比較高同時(shí)要求成本不能高，輸出頻點(diǎn)不多且步進(jìn)大。結(jié)合前面各種優(yōu)化相噪的技術(shù)和新的元器件性能，本文提出了如圖1 所示的實(shí)現(xiàn)方案。

圖1 低相噪本振的原理框圖

在圖1 中，內(nèi)部100 MHz 經(jīng)過諧波發(fā)生器1 倍頻后產(chǎn)生500 MHz 的信號，該信號經(jīng)過功分器后產(chǎn)生兩路信號，其中一路作為鑒相器（PFD）的參考信號，送到PFD 的OSCIN 引腳；第二路信號經(jīng)過諧波發(fā)生器2 倍頻后產(chǎn)生7.5 GHz 低相噪信號，該信號和RFout/2 信號經(jīng)過混頻后產(chǎn)生頻率為F1 的信號再送入鑒相器的PFDin 引腳。該方案中低相噪的實(shí)現(xiàn)主要取決于7.5 GHz 的相噪，因?yàn)榛祛l后輸出頻率不高。從表1 可以看出，最大的分頻值是5，相噪會惡化14 dB。由于頻率合成器的步進(jìn)是250 MHz，采用125 MHz 作為鑒相頻率，經(jīng)過混頻后的頻率都是125 MHz 的整數(shù)倍，可以采用整數(shù)鑒相，且鑒相雜散遠(yuǎn)遠(yuǎn)在環(huán)路帶寬外，可以得到充分抑制。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，采用整數(shù)鑒相，鑒相頻率為125 MHz，具體的頻率規(guī)劃見表1。

表1 輸出頻率規(guī)劃表

表1 中RFout 為輸出頻率，RFout/2 為頻率綜合器芯片反饋輸出的頻率；F1 為混頻后的輸出頻率，為7 500 MHz和RFout/2 的混頻下邊帶值；Nmixer值為分頻值，等于F1 除以125。對于15 GHz 這個(gè)點(diǎn)，因?yàn)榛祛l后F1 的頻率為0，故該點(diǎn)不適合。

從表1 可以看出，輸出頻率規(guī)劃滿足需求。

1.1 關(guān)鍵器件分析

為了實(shí)現(xiàn)低成本和降低模塊體積，需要選擇合適的鑒相器芯片。作為實(shí)現(xiàn)內(nèi)置混頻方案的鑒相器，需要具備以下3 個(gè)特性：首先，芯片內(nèi)部需要集成VCO，且輸出頻率范圍能夠覆蓋需要的頻率范圍，這樣就不需要外部VCO；其次，能夠同時(shí)輸出多通道，這樣可以一路作為輸出，另外一路作為反饋，這樣可以減少外部的功分器；最后，芯片需要有外部鑒相輸入功能，可以支持外部混頻信號輸入，否則反饋信號在鎖相環(huán)芯片內(nèi)部就直接反饋輸入到鑒相器了，無法進(jìn)行混頻來降低反饋頻率。

目前性能指標(biāo)最高的幾款鑒相器的特性對比見表2。從表2 可以看出，在目前可以使用的器件中，只有LMX-2820 才能滿足這個(gè)要求。圖2 為LMX2820 內(nèi)部的原理框圖。

圖2 LMX2820 功能框圖

表2 鑒相器性能對比表

1.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

為了實(shí)現(xiàn)需要的低相噪的指標(biāo)要求，采用了諧波發(fā)生器來產(chǎn)生低相噪的內(nèi)置混頻本振信號，同時(shí)利用內(nèi)置混頻技術(shù)來降低反饋分頻值。

1.2.1 諧波發(fā)生器技術(shù)

低相噪頻率源中采用了兩次諧波倍頻技術(shù)，第一次是將100 MHz 的參考信號倍頻到500 MHz，用來作為鑒相器的參考和第二次倍頻的輸入；第二次是將500 MHz的輸入信號倍頻到7.5 GHz 信號。進(jìn)行諧波發(fā)生器設(shè)計(jì)時(shí)，主要需要考慮的問題為倍頻的附加相噪和輸出信號對不需要諧波的濾波效果。倍頻器對相噪的惡化為20lgN，其中N 為倍頻次數(shù)。

參考源采用的是高性能的100 MHz 恒溫晶振，相噪優(yōu)于-160 dBc/Hz@1kHz，經(jīng)過75 倍頻后相噪惡化38 dB，7.5 GHz 的相噪為-122 dBc/Hz@1kHz，考慮到實(shí)際的附加相噪貢獻(xiàn)，7.5 GHz 信號的相噪為-120 dBc/Hz@1kHz。

在進(jìn)行諧波發(fā)生器設(shè)計(jì)時(shí)，需要將輸入功率放大到滿足階躍二級管的輸入功率要求，同時(shí)要求該放大器的相噪指標(biāo)低[10]。

1.2.2 內(nèi)置混頻技術(shù)

為了降低這個(gè)鎖相環(huán)反饋分頻值N，采用了混頻的方式。從圖1 可以看出，F(xiàn)1=|RFout/2-7 500|MHz，鑒相頻率為125 MHz，混頻后的N 值見表1。從表1 可以看出，混頻后的最大N 值為5。如果不采用混頻技術(shù)，輸出頻率比較高，采用目前最高端的器件，采用單環(huán)方案來產(chǎn)生16 250 MHz 的信號，輸出的相噪指標(biāo)能理論最高能達(dá)到-98 dBc/Hz@1kHz，不能滿足實(shí)際需求。本設(shè)計(jì)的混頻配置方式見圖3，以最高輸出頻率16 250 MHz 來說明混頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。從圖2 可以看出，LMX2820 內(nèi)部的鑒相器部分支持兩種外部輸入，分別為RFin 和PFDin，這兩種外部輸入就是混頻后的信號輸入端口。對于LMX2820，使用混頻方式來改善相噪的配置關(guān)鍵，它有兩種模式，當(dāng)混頻后分頻次數(shù)小于12 時(shí)，需要采用PFD引腳的混頻；如果混頻后分頻次數(shù)大于12，需要采用RFIN 引腳的混頻方式。在圖3 中，因?yàn)長MX2820 的基頻信號頻率范圍為5.65 GHz～11.3 GHz，輸出信號都是內(nèi)部振蕩器二倍頻（RFout）后輸出，另一支路是基頻信號（RFout/2）輸出后和7.5 GHz 低相噪信號進(jìn)行混頻，混頻后的信號經(jīng)過低通濾波器后送入LXM2820 的PFDin 引腳，內(nèi)部經(jīng)過N 分頻器后進(jìn)入鑒相器（PFD）作為鑒相頻率信號,和OSCin 引腳送入的信號經(jīng)過R 分頻器（R Divider）后的信號進(jìn)行比較，輸出的信號和外部環(huán)路濾波器相連，產(chǎn)生調(diào)諧電壓送內(nèi)部的壓控振蕩器。

圖3 內(nèi)置混頻技術(shù)原理框圖

2 主要指標(biāo)分析

2.1 相噪指標(biāo)分析

對于使用合成器芯片來實(shí)現(xiàn)的頻率源，相噪按照式（1）～式（3）來綜合評估。

其中，PNPLL_Flat為鑒相器的歸一化相噪，值為-236 dBc/Hz；PNPLL_1/f為鑒相器的閃爍噪聲歸一化噪底，值為-134 dBc/Hz；FPD是鑒相頻率，為125 MHz；FVCO為輸出頻率，在這里指混頻后的反饋頻率；PLLFlat為鑒相器自身對頻率源的相噪貢獻(xiàn)；PLLflicker（offset）為鑒相器閃爍噪聲對頻率源的相噪貢獻(xiàn)，這里offset 值為1 kHz。在這里按最高輸出頻率16.25 GHz 進(jìn)行評估，如果不采用混頻技術(shù)，F(xiàn)VCO為16.25 GHz；采用混頻技術(shù)后，F(xiàn)VCO為625 MHz，但此時(shí)的625 MHz 的相噪是由混頻采用的7.5 GHz 信號決定的。各個(gè)部分的相噪貢獻(xiàn)見表3。

表3 信號相噪分布表

2.2 雜散指標(biāo)分析

頻率源的主要雜散有鑒相雜散、7.5 GHz 的泄露雜散和輸出信號的亞諧波雜散。頻率源采用整數(shù)鑒相，鑒相頻率125 MHz 偏離環(huán)路帶寬很遠(yuǎn)，通過環(huán)路濾波器很容易將其移至到75 dBc 以上，7.5 GHz 雜散和亞諧波雜散離輸出頻率較遠(yuǎn)，主要通過輸出端的定制帶通濾波器來保證。

3 測試驗(yàn)證

根據(jù)上述原理，研制了該低相噪本振源。在內(nèi)部100 MHz 恒溫晶振相噪指標(biāo)為-160 dBc/Hz@1kHz 的條件下測試最低頻率13.75 GHz、中間頻率14.75 GHz 和最高輸出頻率16.25 GHz 的信號，其頻譜圖和相噪圖分別如圖4～圖9 所示。從圖可以看出，在整個(gè)輸出頻率范圍上，最高相噪為-104.21 dBc/Hz，雜散優(yōu)于-70 dBc。

圖4 13.75 GHz 信號頻譜圖

4 結(jié)論

圖5 14.75 GHz 信號頻譜圖

圖6 16.25 GHz 信號頻譜圖

本文采用的混頻式頻率源實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)為250 MHz的低相噪頻率合成器，利用了諧波發(fā)生器和最新的鑒相器芯片來實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的同時(shí)降低復(fù)雜度，在體積和成本方面優(yōu)勢顯著，但它對使用條件有限制，在滿足條件的情況下使用非常具有性價(jià)比。同時(shí)，隨著工藝的發(fā)展，可以采用MCM 技術(shù)將該頻率源進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)[11]，滿足更多場景的需求。

圖7 13.75 GHz 信號相噪圖

圖8 14.75 GHz 信號相噪圖