PDRO的研究進(jìn)展

袁慧超

（中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，河北石家莊 050051）

0 引言

PDRO（取樣鎖相介質(zhì)振蕩器）具有極低相噪、低雜散、低功耗、重量輕、體積小、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)，與直接倍頻方案相比，具有更好的遠(yuǎn)端相噪指標(biāo)。在航天航空、微波測量等尖端科技設(shè)備中要求超低相噪的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1，2]。

微波鎖相源原理在數(shù)學(xué)理論方面，早在上世紀(jì)30年代無線電技術(shù)發(fā)展的初期就已經(jīng)出現(xiàn)。1930年建立了同步控制理論的基礎(chǔ)。1932年貝塞爾什提出了同步檢波理論。在上世紀(jì)40年代，電視接收機(jī)的同步掃描電路中，鎖相技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。到上世紀(jì)50年代，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，有杰費(fèi)和里希廷利用鎖相環(huán)路作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路線性理論分析，解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計的問題。PDRO理論及工程研究曾在上世紀(jì)七八十年代出現(xiàn)熱潮。但由于在寬溫范圍內(nèi)環(huán)路的穩(wěn)定性和捕獲設(shè)計技術(shù)難度較大，造成成品率不高，因而該技術(shù)的發(fā)展曾一度處于停滯狀態(tài)。進(jìn)入新世紀(jì)后美國在PDRO領(lǐng)域已解決了取樣鎖相中寬溫范圍內(nèi)環(huán)路的穩(wěn)定性和捕獲的技術(shù)難題，研制了高性能的PDRO產(chǎn)品，并實現(xiàn)了系列化和大規(guī)模生產(chǎn)，在以美國為代表的西方主要國家中PDRO已廣泛應(yīng)用于各類高性能電子設(shè)備中。PDRO現(xiàn)已成為微波高穩(wěn)定頻率合成技術(shù)中最具生命力的技術(shù)之一。PDRO實物如圖1[2，3]。

圖1 PDRO實物

1 PDRO的工作原理

PDRO的工作原理如圖2所示，微波取樣鎖相介質(zhì)振蕩源是采用高穩(wěn)參考信號如晶振產(chǎn)生一同頻率的尖脈沖（梳狀譜）信號，與微波信號進(jìn)行取樣比較輸出誤差信號，當(dāng)振蕩器輸出頻率與參考信號的N次諧波頻率相同時，經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后的誤差信號為一穩(wěn)定的直流電壓，此時介質(zhì)VCO頻率被穩(wěn)定在Nf i。由于DRVCO的帶寬很窄（一般僅為工作頻率的0.2%～1.0%），在其壓控范圍內(nèi)，只有一個頻點(diǎn)是參考源頻率的整數(shù)倍，所以不會出現(xiàn)錯鎖的現(xiàn)象，當(dāng)壓控電壓控制DRVCO的頻率達(dá)到這一頻點(diǎn)時，環(huán)路即鎖定，這時PDRO的輸出頻率穩(wěn)定在設(shè)計頻率[1]。

圖2 工作原理

由于取樣鎖相電路采用了取樣保持鑒相器，在取樣脈沖尖峰到來時，對VCO輸出的高頻信號進(jìn)行取樣保持，得到的階梯誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器濾除高頻分量，輸出的直流信號去控制VCO的輸出頻率，使VCO的輸出頻率直接鎖定在參考頻率的高階諧波的頻率上，從而免去了數(shù)字分頻器噪聲基底受限的影響，它的相位噪聲指標(biāo)接近于理論計算值。取樣鎖相頻率合成器結(jié)合了數(shù)字鑒相和高次倍頻鏈方式的共同特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、相位噪聲低、體積小、重量輕、功耗低。取樣鎖相器的相位噪聲在理論惡化20LgN的基礎(chǔ)上幾乎無附加惡化。在相位噪聲指標(biāo)上微波取樣鎖相頻率合成較直接倍頻合成和數(shù)字鎖相有更優(yōu)越的噪聲性能，相位噪聲更低。介質(zhì)諧振器品質(zhì)因數(shù)Q值高、體積小，用介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻的振蕩器具有相位噪聲低、成本低的優(yōu)點(diǎn)。因介質(zhì)諧振器頻帶窄，故其適用于點(diǎn)頻工作狀態(tài)，所以一般情況下將其用于高穩(wěn)定度微波本振。

介質(zhì)振蕩器中的相位噪聲即提高相位噪聲的方法有，[30]選擇高Q值得的諧振回路。除了采用介質(zhì)振蕩器外，作為振蕩器中放大器的的放大管也要選擇低噪聲的GaAs FET管。

2 PDRO的現(xiàn)狀

PDRO主要作為各種電子設(shè)備的高性能本振，其性能的優(yōu)劣直接決定了整個系統(tǒng)的性能，素有“電子系統(tǒng)的心臟”之稱。研制高性能、高可靠性的PDRO對于提高電子系統(tǒng)的性能有重大的現(xiàn)實意義。

目前美國CTI公司在PDRO的研發(fā)的產(chǎn)品分為外部參考、內(nèi)部參考和雙鎖相環(huán)外部參考3個系列，工作頻率覆蓋3～45 GHz：參考信號頻率1～100 MHz：

工作溫度范圍可達(dá)-55～+85℃。其產(chǎn)品的主要參數(shù)見表1；相位噪聲指標(biāo)見表2。

表1 CTI公司PDRO主要參數(shù)

表2 CTI公司PDRO相位噪聲指標(biāo)

3 結(jié)語

PDRO因其特有的技術(shù)優(yōu)勢在未來微波系統(tǒng)中將有更廣泛的應(yīng)用，小型化、器件化的PDRO產(chǎn)品是未來發(fā)展的趨勢，基于多年的微波半導(dǎo)體材料、器件的科研基礎(chǔ)，正在展開此類產(chǎn)品的探索研究，目前已研制成功部分鎖相源內(nèi)部功能單元芯片，但距離成熟化的高集成低相噪鎖相源還存在較大差距，需要進(jìn)一步的技術(shù)攻關(guān)與摸索。在PDRO的研究方向有以下5個方面：

（1）器件化：采用SOC技術(shù)，將鎖相微波電路結(jié)合微波壓控振蕩器整合在一塊或多塊芯片上，通過高可靠的金屬封裝代替原來的組件級盒體封裝模式，體積可縮小至現(xiàn)有產(chǎn)品的1%以下，工作溫度可以拓展到-65～+125℃，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，批量生產(chǎn)效率高、一致性好。

（2）提高工作頻段。隨著現(xiàn)有工藝水平的提高和新工藝的應(yīng)用，可以研發(fā)工作頻率更高的PDRO。

（3）增強(qiáng)性能。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，決定振蕩器相位噪聲性能的高Q值諧振器材料研制技術(shù)不斷提高，振蕩器的穩(wěn)定性和相位噪聲指標(biāo)可大幅提升，采用SOC技術(shù)的微波芯片可以實現(xiàn)多環(huán)符合技術(shù)，使整個鎖相源的相位噪聲可以在現(xiàn)有技術(shù)上進(jìn)一步提高。

（4）擴(kuò)展應(yīng)用范圍。伴隨PDRO產(chǎn)品的模塊化、器件化和新標(biāo)準(zhǔn)的建立，新的高性能PDRO可用于更多集成度更高的系統(tǒng)。

（5）擴(kuò)展性更強(qiáng)。在低相噪鎖相源的技術(shù)基礎(chǔ)上可根據(jù)不同需求研制出具備大功率、多點(diǎn)跳頻等多種集成化芯片電路。

除上述電子電路方面的技術(shù)以外，PDRO還需要在材料、化學(xué)等方面的技術(shù)研發(fā)。

PDRO中使用的介質(zhì)諧振器是用低損耗、高介電常數(shù)的介質(zhì)材料（通常為圓柱型功能陶瓷材料）諧振器。有如下特性：

①體積小，由于材料的高介電常數(shù)，可使介質(zhì)諧振器的體積小至空腔波導(dǎo)或同軸諧振器的1/10以內(nèi)，為電路小型化提供了可能。

②Q值高（品質(zhì)因數(shù)），在0.1～30 GHz范圍內(nèi)，Q值可達(dá)103～104。

③諧振頻率的溫度穩(wěn)定性優(yōu)異，介質(zhì)材料的介電常數(shù)會隨溫度變化，從而引起諧振器頻率的變化，實際中采用低溫度系數(shù)的材料和不同材料配比制作的補(bǔ)償型復(fù)合介質(zhì)，使介質(zhì)諧振器與諧振腔在不同溫度下相互匹配，達(dá)到頻率穩(wěn)定性要求。陶瓷諧振材料的研究中既要研究陶瓷材料本身化學(xué)物理特性，又要注意制造加工工藝的研究。目前在陶瓷諧振材料制造加工工藝方面存在的主要問題有：材料混合不均勻，造成單個器件內(nèi)部密度不一致；同一批次內(nèi)不同個體密度和組分有明顯差異；不同批次產(chǎn)品的差異更大。陶瓷諧振物理化學(xué)的差異嚴(yán)重影響電學(xué)特性，目前生產(chǎn)工藝還會造成陶瓷諧振材料內(nèi)部產(chǎn)生空洞，嚴(yán)重影響PDOR的可靠性。在PDRO的研制中還需要使用化學(xué)粘合劑，化學(xué)粘合劑的性能嚴(yán)重制約PDRO的電學(xué)性能和長期工作可靠性。

④目前在諧振器基板都采用陶瓷材料，陶瓷材料介電常數(shù)高、穩(wěn)定性好適應(yīng)各種使用環(huán)境。但是也存在散熱性差，與金屬盒體膨脹系數(shù)不一致，焊接、燒結(jié)工藝要求高等問題。

取樣鑒相技術(shù)，PDRO使用的鑒相方式不同于常用的將微波信號經(jīng)過分頻器，分頻到低頻在和參考信號鑒相。取樣鑒相工作原理如圖3所示，低頻參考信號激勵取樣脈沖器，產(chǎn)生從復(fù)頻率與參考頻率信號同頻的取樣窄脈沖。取樣脈沖按參考信號頻率通過取樣鑒相器對VCO的輸出微波信號進(jìn)行取樣。取樣鑒相器將每次取樣得到的電壓經(jīng)過壓控信號濾波整流電路濾波和放大后，控制VCO的工作頻率，使其與參考信號頻率的整數(shù)保持一致（fVCO=Nf參考，N為整數(shù)，PDRO中作為VCO的介質(zhì)振蕩器調(diào)頻率范圍，在Nf參考上只有一個頻點(diǎn)，因此不會出現(xiàn)錯鎖頻率的情況。）具體工作過程是整個取樣鑒相系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，取樣脈沖在VCO正弦震蕩的過零時刻取樣。此時，取樣鑒相器應(yīng)無電壓輸出，VCO的振蕩頻率與參考頻率為嚴(yán)格的整數(shù)倍關(guān)系。如果VCO的振蕩頻率發(fā)生偏移，使其正弦振蕩的相位發(fā)生變化，此時過零時刻提前或者推遲，過零點(diǎn)沒有落在取樣脈沖內(nèi)，這時取樣鑒相器的輸出電壓不再為零，而出現(xiàn)正、負(fù)增量電壓輸出。此增量電壓經(jīng)過壓控信號濾波整流電路輸出到VCO控制端，調(diào)節(jié)VCO的振蕩頻率趨向于保持與參考信號頻率成嚴(yán)格的整數(shù)倍，直到過零點(diǎn)再次落到取樣脈從內(nèi)。取樣鑒相技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，以一個較容易獲得的高品質(zhì)低頻參考源代替高品質(zhì)的高頻參考源；或在參考源相同的條件下，避免了分頻器對相位噪聲的影響[4]。

圖3 取樣鑒相系統(tǒng)組成

綜上，PDRO由于其自身特點(diǎn)，其研究發(fā)展涉及電學(xué)、材料和化學(xué)等多學(xué)科，需要多學(xué)科共同努力。