低相位噪聲在微波源中的研究

1 引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各種微波設(shè)備對振蕩信號的相位噪聲要求越來越高。目前在微波振蕩源中廣泛采用的倍頻鏈方式，因需要多次倍頻、放大、濾波而必須采用較多的有源器件從而產(chǎn)生了較大的附加噪聲。對微波振蕩源的相位噪聲有較大的影響。2856MHz微波源同時利用了脈沖倍頻鎖相環(huán)和介質(zhì)振蕩器兩項技術(shù)，有效的提高了微波振蕩源的相位噪聲，同時具有諧波低、體積小、功耗小、可靠性高的優(yōu)點?？捎糜谛l(wèi)星通信、雷達、實驗設(shè)備等對相位噪聲要求較高的場合。

2 相位噪聲的定義與測量[1]

相位噪聲是用來表征一個微波源的短期頻率穩(wěn)定度。相位噪聲的概念可通過圖1來說明。

圖1 相位噪聲概念的說明

當一個理想的單頻正弦波振蕩頻率源ƒ0很穩(wěn)定時，其時域信號波形相位過零點的位置在短期內(nèi)（通常指1秒內(nèi)）應(yīng)當是穩(wěn)定不變的，如圖中（a）所示。對應(yīng)的在頻域中的頻譜應(yīng)是一條譜線ƒ0，如圖中（c）所示。但是當因噪聲等隨機因素引起頻率不穩(wěn)定時，時域中相位過零點位置會抖動，稱為噪聲對相位的寄生調(diào)制，如圖中（b）所示。相位變化則頻率也會發(fā)生變化，在頻域中對應(yīng)的頻譜不是ƒ0一條譜線了，而是如圖中（d）所示擴散為一個連續(xù)頻譜。譜線從ƒ0向兩邊擴展范圍的寬窄與頻率穩(wěn)定度相關(guān)。頻率穩(wěn)定度越好，則擴展越窄，譜值變化越陡。因此在頻域可用相位噪聲大小來表征短期頻率穩(wěn)定度。在實際測量中，由于相位噪聲頻譜特性是對稱的，常用單邊帶SSB（Single Side Band）相位噪聲來表征短期頻率穩(wěn)定度。SSB相位噪聲L（ƒ）定義為：偏離頻率源ƒo為ƒoff處，每赫茲帶寬的單邊帶功率PSSB與頻率源功率P0 之比，通常用dB表示，圖2為其示意圖。

圖2 SSB相位噪聲示意圖

3 設(shè)計要求

設(shè)計的2856MHz微波源主要電特性指標：

輸出信號頻率：2856MHz；
信號輸出功率：
1端口、2端口輸出功率≥100mW(20dBm),
3端口、4端口輸出功率≥20mW(13dBm)；
輸出信號頻率準確度：≤±50KHz；
輸出信號相位噪聲：≤-105dBc/Hz@20KHz；
諧雜波抑制：≥50dBc；
放大器帶寬：≥4MHz；
路間隔離度：≥40dBc。

4 設(shè)計方案[1-6]

根據(jù)設(shè)計要求，經(jīng)多種方案比較，最后采用了鎖相介質(zhì)振蕩器電路的方案。其組成主要由參考源、PDRO（鎖相介質(zhì)振蕩器）、1:4功分放大和電源四部分構(gòu)成，如圖3。工作原理，參考源產(chǎn)生的102MHz信號與PDRO中介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生的微波信號取樣鎖相使PDRO輸出信號鎖定在2856MHz。PDRO輸出的信號經(jīng)1：4功分放大輸出。

圖 3 電路框圖

4.1 介質(zhì)振蕩器

介質(zhì)振蕩器是用低損耗、高介電常數(shù)的介質(zhì)材料做成的諧振器，介質(zhì)與微帶線耦合，組成一個高Q值的諧振電路,具有尖銳的頻率選擇特性。同時在介質(zhì)振蕩器的帶寬很窄（被設(shè)計為0.3%~0.5%）在其壓控范圍內(nèi)只有一個頻點是參考源頻率的整倍數(shù)，介質(zhì)振蕩器只能鎖定在設(shè)計的頻點上。所以介質(zhì)振蕩器的相位噪聲優(yōu)于其它形式的振蕩器。介質(zhì)振蕩器具有體積小、Q值高、頻率范圍大（可達毫米波段）、在高低溫下頻率的穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在微波電路中得到廣泛的應(yīng)用。 PDRO（鎖相介質(zhì)振蕩器）的原理如圖4。

圖 4 PDRO 原理圖

AMP(微波放大單元)，VCC（+12電源）,REFMON（參考頻率）

4.2 脈沖倍頻鎖相環(huán)電路

脈沖倍頻鎖相環(huán)電路的工作原理如圖5，工作過程是102MHz參考源經(jīng)過脈沖形成電路，產(chǎn)生一個102MHz整數(shù)倍諧波的尖脈沖序列。在鑒相器中VCO頻率2856MHz和102MHz的28倍諧波進行比相，通過鎖相環(huán)路將VCO的頻率鎖定在2856MHz上。與倍頻鏈技術(shù)相比脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)中采用了取樣鑒相器在取樣脈沖尖峰時對VCO輸出的高頻信號進行取樣，得到的控制用信號經(jīng)環(huán)路濾波器濾除高頻分量后，經(jīng)運算放大器放大輸出直流信號控制VCO的輸出信號頻率，從而使VCO輸出頻率直接鎖定在參考頻率的高次諧波上。與數(shù)字分頻鎖相技術(shù)相比消除了數(shù)字分頻噪聲基底的影響，相位噪聲明顯優(yōu)于數(shù)字分頻鎖相，是相位噪聲接近理論值。

圖5 脈沖倍頻鎖相環(huán)電路的工作原理

5 相位噪聲實際測量與分析

在實際測量中采用Agilent公司的4440E頻譜儀。在單邊帶相位噪聲測量中，由于頻譜儀通常使用功率電平（單位dBm）進行，這樣根據(jù)公式（1.1）進行變換，轉(zhuǎn)換為對數(shù)形式：

式（1）中L（ƒ0）代表頻率源功率電平，L（ƒoff）代表的是頻偏ƒoff處歸一化到1Hz等效噪聲帶寬內(nèi)使用有效值檢波器獲得的噪聲功率電平。測試結(jié)果如圖6和圖7，微波源的相位噪聲如下：
-105 dBc/Hz@1KHz；
-110 dBc/Hz@10KHz；
-110 dBc/Hz@20KHz；
-113 dBc/Hz@100KHz；
-135 dBc/Hz@1MHz；

雜波抑制：-80 dBc

輸出頻率：2856MHz

輸出功率：
1端口、2端口輸出功率≥100mW(20dBm)；
3端口、4端口輸出功率≥20mW(13dBm)。

　　從中可以看出由于在微波源中采用了介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)，相位噪聲滿足用戶要求。表明在微波振蕩源中采用介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)可以取得比倍頻鏈方式更優(yōu)越的相位噪聲性能。

圖6 信號頻譜

圖7 單邊帶相位噪聲

6 結(jié)論

微波頻率源是現(xiàn)代微波系統(tǒng)中最重要的核心部件之一，有微波系統(tǒng)的“心臟”之稱。在微波源的各項參數(shù)中相位噪聲尤其重要，微波源的相位噪聲決定了整個系統(tǒng)的相位噪聲。2856MHz微波源采用了介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)，取得預計的性能指標。同時對降低微波源的相位噪聲方面作了研究，并在實際應(yīng)用中取得了滿意的效果，本文中闡述的用介質(zhì)振蕩器和脈沖倍頻鎖相環(huán)技術(shù)的組合制造低相噪微波源的方法不僅適用于本課題，由于介質(zhì)振蕩器適用于從L波段到毫米波段，所以對于不同頻段的微波振蕩器我們均能取得較為滿意的低相位噪聲性能。并且能在提高設(shè)備相位噪聲性能的同時可以提高可靠性和穩(wěn)定性。