CN104868911A - 宽带锁相频率合成电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带锁相频率合成电路，包括：小数分频环路、第一滤波器、第一放大器、鉴相器、积分器、第一压控振荡器、第二压控振荡器、耦合器、第二放大器、第三放大器、第一分频器、第四放大器、第一单刀双掷开关、第二分频器、第二单刀双掷开关、第二分频器、第三分频器、第一双刀单掷开关、第二单刀双掷开关、第二滤波器、第三滤波器、第二双刀单掷开关、取样器、阻抗变换电路、放大电路、第五放大器、鉴相器和取样本振环路。通过小数分频环路、取样本振环路、两个压控振荡器以及开关的设定，可以实现宽带频率、锁相频率合成，且集成度高、功耗小、成本低、相位噪声指标高。

Description

宽带锁相频率合成电路

技术领域

本发明涉及频率合成技术领域，特别涉及一种宽带锁相频率合成电路。

背景技术

随着现场测试需求的日益增多，台式仪器在携带性、供电以及环境适应性等方面的不足越来越明显，也越来越不适应复杂测试环境的要求，然而，手持式频谱分析仪具有体积小、重量轻、可采用电池供电和环境适应性强等优点，适合在比较特殊、复杂的测试环境下使用，例如：室外电台、基站、机场、维修现场等的频谱检测。

手持式微波频谱分析仪由于采用超外差接收机结构，因此第一本振的宽带频率合成技术是手持式微波频谱分析仪的关键技术之一，第一本振的频率分辨率和边带杂散直接决定了整机的频率分辨率和近端杂散水平，。然而，目前的台式频谱分析仪第一本振的频率合成均采用扫描斜坡发生器和YTO等部件的技术方案，由扫描斜坡发生器驱动YTO实现频率调谐，这种方案虽然技术成熟，但是这种技术实现的宽带频率合成电路模块存在功耗大、体积较大、集成度低、成本高、温度稳定性差等缺点，并且频率扫宽准确度和频率准确度这两个重要指标都受限于YTO振荡器的调谐线性度和扫描斜坡发生器的积分线性度，尤其是在大扫宽频率范围的下进行测量时，频率扫宽准确度和频率准确度都会变得更差，因此不适合在手持式频谱分析仪器中使用。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种宽带锁相频率合成电路，以实现集成度高、功耗小、成本低、相位噪声指标高的频率合成，该宽带锁相频率合成电路包括：

第一滤波器，输入端与小数分频环路的输出相连，输出端与第一放大器相连；

所述第一放大器，输出端与鉴相器的第一输入端相连；

所述鉴相器，输出端与积分器相连；

所述积分器，第一输出端与第一压控振荡器的输入端相连，第二输出端与第二压控振荡器的输入端相连；

耦合器，输入端与所述第一压控振荡器的输出端和所述第二压控振荡器的输出端相连，第一输出端与第二放大器的输入端相连，第二输出端与第三放大器的输入端相连；

所述第二放大器，输出端作为宽带锁相频率合成电路的输出；

所述第三放大器，输出端与第一分频器的输入端相连；

所述第一分频器，输出端与第四放大器的输入端相连；

所述第四放大器，输出端与第一单刀双掷开关的输入端相连；

所述第一单刀双掷开关，第一输出端与第二分频器的输入端相连，第二输出端与第二单刀双掷开关的输入端相连；

所述第二分频器，输出端与第三分频器的输入端相连；

所述第三分频器，输出端与第一双刀单掷开关的第一输入端相连；

所述第二单刀双掷开关，第一输出端与第二滤波器的输入端相连，第二输出端与第三滤波器的输入端相连；

所述第二双刀单掷开关，第一输入端与所述第二滤波器的输出端相连，第二输入端与所述第三滤波器的输出端相连，输出端与取样器的第一输入端相连；

所述取样器，输出端与阻抗变换电路的输入端相连；

所述阻抗变换电路，输出端与放大电路的输入端相连；

所述放大电路，输出端与所述第一双刀单掷开关的第二输入端相连；

所述第一双刀单掷开关，输出端与第五放大器的输入端相连；

所述第五放大器，输出端与所述鉴相器的第二输入端相连；

取样本振环路，输出端与所述取样器的第二输入端相连。

在一个实施方式中，所述第一压控振荡器的输出频率为5GHz到9GHz，所述第二压控振荡器的输出频率为9GHz到12.5GHz。

在一个实施方式中，所述第二滤波器为3.8GHz低通滤波器，所述第三滤波器为6.25GHz低通滤波器。

在一个实施方式中，所述第一分频器的分频系数为2，所述第二分频器的分频系数为8，所述第三分频器的分频系数为16。

在一个实施方式中，该电路集成设置在单块电路板上。

在本发明实施例中，提出了一种宽带锁相频率合成技术，以两个压控振荡器作为主锁相环路振荡器，实现了5GHz到12.5GHz范围的宽带频率、高分辨率的锁相频率合成，能够在任意频率扫宽下测量。同时，采用开关进行模式选择，可以实现单环分频模式与多环取样模式并用，同时又可以实现低相位噪声的小数分频环路和取样本振环路。进一步的，通过将宽带锁相频率合成电路采用射频微波集成IC在单块电路板上实现，可以有效减小电路板尺寸，提升宽带频率合成模块的集成度，且本例中的合成的频率信号相位噪声指标高，通用性强，可广泛用于频谱检测设备、手持式频谱分析仪、手持式无线通信综合测试仪等电子测量类仪器，缩短了此类电子测量仪器的设计和研发周期。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的宽带锁相频率合成电路示意图；

图2是根据本发明实施例的小数分频环路原理示意图；

图3是根据本发明实施例的取样本振锁相环路原理示意图；

图4是根据本发明实施例的取样器原理示意图；

图5是根据本发明实施例的取样器匹配电路仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明实施例中，提出了一种宽带锁相频率合成电路，如图1所示，包括：

第一滤波器F1，输入端与小数分频环路H的输出相连，输出端与第一放大器A1相连；

第一放大器A1，输出端与鉴相器PD的第一输入端相连；

鉴相器PD，输出端与积分器I相连；

积分器I，第一输出端与第一压控振荡器V1的输入端相连，第二输出端与第二压控振荡器V2的输入端相连；

耦合器C，输入端与第一压控振荡器(VOC)V1的输出端和第二压控振荡器V2的输出端相连，第一输出端与第二放大器A2的输入端相连，第二输出端与第三放大器A3的输入端相连；

第二放大器A2，输出端作为宽带锁相频率合成电路的输出；

第三放大器A3，输出端与第一分频器FD1的输入端相连；

第一分频器FD1，输出端与第四放大器A4的输入端相连；

第四放大器A4，输出端与第一单刀双掷开关K1的输入端相连；

第一单刀双掷开关K1，第一输出端与第二分频器FD2的输入端相连，第二输出端与第二单刀双掷开关K2的输入端相连；

第二分频器FD2，输出端与第三分频器FD3的输入端相连；

第三分频器FD3，输出端与第一双刀单掷开关K3的第一输入端相连；

第二单刀双掷开关K2，第一输出端与第二滤波器F2的输入端相连，第二输出端与第三滤波器F3的输入端相连；

第二双刀单掷开关K4，第一输入端与第二滤波器F2的输出端相连，第二输入端与第三滤波器F3的输出端相连，输出端与取样器Q的第一输入端相连；

取样器Q，输出端与阻抗变换电路R的输入端相连；

阻抗变换电路R，输出端与放大电路B的输入端相连；

放大电路B，输出端与第一双刀单掷开关K3的第二输入端相连；

第一双刀单掷开关K3，输出端与第五放大器A5的输入端相连；

第五放大器A5，输出端与鉴相器PD的第二输入端相连；

取样本振环路S，输出端与取样器Q的第二输入端相连。

基于图1所示的宽带锁相频率合成电路，采用高频率分辨率的小数分频锁相环路作为频率参考，以满足第一本振的高频率分辨率要求，主锁相环路采用单环分频和多环取样相结合的方式，在整机扫频宽度大于等于5MHz时，工作于单环分频模式，可以实现频率的快速锁定，并完成对多环取样模式下第一本振主环路中的两个压控振荡器输出频率的预置，在整机扫频宽度小于5MHz时，采用多环取样模式，反馈通道用微波取样器取代高分频比电路，因此可获得更低的相位噪声。

具体的，第一分频器FD1的分频系数可以设置为2，第二分频器FD2的分频系数可以设置为8，第三分频器FD3的分频系数可以设置为16，对图1分析可知：

单环分频模式下第一本振输出频率为：

F_llo＝F_frac×(2×8×16)＝F_frac×256

其中，F_llo表示第一本振输出信号频率，F_frac表示小数分频环路输出信号频率。

多环取样模式下第一本振输出频率为：

F_llo＝2×(F_sample×M+F_frac)

其中，M表示取样谐波次数。

下面对上述两种模式进行具体分析：

1)在单环分频模式下，影响第一本振输出信号带内相位噪声的主要因素是小数分频环路相位噪声和反馈通道分频比，在本例中，反馈通道的总分频比为256，所以小数分频环路输出信号的相位噪声在第一本振输出端恶化20log256dB，约为48dB；

2)在多环取样模式下，影响第一本振输出信号带内相位噪声的主要因素是取样本振环路输出信号的相位噪声和取样谐波次数M，取样本振环路在第一本振输出端相噪恶化20log2MdB，在M取最大值28时，对应的取样本振输出信号相位噪声恶化35dB，多环模式下小数环在输出端相位噪声恶化6dB，因此在设计时应根据第一本振信号的相位噪声指标要求，合理确定小数分频环路和取样本振环路的相位噪声要求，并留有足够的余量。

在图1所示的电路中，主要存在小数分频环路和取样本振锁相环路，下面对这两种环路进行具体说明：

1)小数分频环路原理框图如图2所示，作为第一本振VCO主环路的频率参考，小数分频环路不仅决定了整机的频率分辨率指标，也是影响第一本振输出信号近端相位噪声指标的关键因素，小数分频环路VCO输出信号的频率范围是400MHz～1000MHz，在经20分频后，作为第一本振VCO主环路的频率参考。为使频率合成模块最终的输出频率分辨率达到1Hz，小数分频环路反馈通道在处理中采用了小数分频技术，进一步的，为了对小数分频的尾数调制效应进行抑制，可以采用ΣΔ调制技术使小数分频误差能量转移到高频段，以便利用环路的低通特性将其滤除。小数分频的整数位和小数位均为48位，最终输出信号频率分辨率低于10^-6Hz，以达到频率合成模块对输出频率分辨率的要求。

另外，因为在整机频率扫宽小于5MHz时，第一本振工作于多环取样模式，反馈通道采用取样混频的方式实现，取样本振的边带噪声会直接叠加到第一本振输出信号上。因此，取样本振电路设计的关键是低输出相位噪声，同时要求输出频率间隔不大于1MHz，这样一方面可以保证鉴相时第一本振输出的不同频段之间的频率衔接，另一方面也方便用软件方法避开可能出现的杂散频点。具体的，第一压控振荡器的输出频率可以设置为5GHz到9GHz，第二压控振荡器的输出频率可以设置为9GHz到12.5GHz。第二滤波器可以设置为3.8GHz低通滤波器，第三滤波器可以设置为6.25GHz低通滤波器。为了实现上述目的，可以采取以下处理方法：

(1)在取样本振的环路方案上，锁相环的反馈通道处理方式可以由通常的直接N分频方式改为混频方式；

(2)在环路带宽选择上，可以采用宽带环路以充分利用100MHz参考环路输出信号的低噪声特性；

(3)在振荡器的选取上，可以选用低相位噪声的压控振荡器以降低它对带内噪声的影响；

(4)在电源处理上，对每一个电路单元分别单独稳压，以获得更好的电源隔离，减小电源串扰，对噪声敏感的压控振荡器电源可以采用EMI滤波器和电容、电感组成的网络来滤除电源纹波和干扰。

2)取样本振锁相环路的原理框图如图3所示，由外部提供的100MHz低相位相噪信号输入到频率合成板后，经倍频和带通滤波后输出200MHz和400MHz两路信号，其中，400MHz信号作为取样本振的频率参考，200MHz信号与VCO输出的205MHz～220MHz信号进行混频，混频器输出的5MHz～20MHz中频信号经滤波和放大整形后送入鉴相器，鉴相器输出的误差信号经环路滤波后调整VCO输出频率使之锁定在指定的频率上，为防止VCO输出信号错锁到镜像频率上，可以在调谐端口增加电压预置电路，从而使得振荡器初始振荡频率高于200MHz，由于反馈分频系数N为1，100MHz参考信号在取样本振输出端理论上恶化6dB。

在上述对多环取样模式的描述中，为了获得更低的相位噪声，第一本振反馈通道用微波取样器来取代高分频比电路，具体的，取样器可以如图4所示，由阶跃恢复二极管D1、开关电容C1、C2和肖特基二极管对D2、D3三个部分组成，其中，取样器的1脚和2脚接平衡输入的取样本振环路输出的205MHz～220MHz信号，3脚和5脚接对中频起缓冲作用的射极跟随器，4脚接第一本振VCO反馈输出的射频信号。

下面对图4的取样器进行具体描述：

阶跃恢复二极管D1，可以是理想的非线性器件，因正向存储电荷使元件产生很低的阻抗，而反向存储电荷则使元件呈现很高的阻抗，它是一个很好的双态阻抗电子开关元件，在适当的正弦波激励下，每个周期都能产生很窄的脉冲，因而谐波丰富且效率高。因阶跃恢复二极管的输入阻抗较低，约为4Ω～10Ω，为实现有效激励、减小参考输入功率，需要进行阻抗变换匹配，在实际电路中，取样本振输出约为0dBm的信号至宽带微波放大器进行放大，放大器的增益为19dB，1dB压缩点约20Bm，放大后输出功率值大于18dBm，可以满足取样器中对于本振参考功率的要求。

在本例中，采用射频变压器完成信号的不平衡和平衡之间的转换，由于微波放大器输出功率接近1dB压缩点，变压器输出端不仅有取样本振信号，还有因放大器压缩产生的取样谐波信号及其他干扰信号，因此需要进行滤波处理。在变压器平衡输出端分别加电容与电感组成的并联对地谐振网络，谐振频率约为210MHz，这样205MHz～220MHz的取样本振信号能够得到有效传输，而其它信号通过谐振网络后幅度会衰减，因而减小了取样器输入端的杂散干扰信号。并联谐振网络后端接电阻与电感串联网络实现了从高阻抗向低阻抗的阻抗变换，如图5所示为取样器匹配电路的仿真结果。

在图4所示的取样器中，阶跃恢复二极管D1输出上下对称的阶跃信号到电容C1和C2的一端，电容相当于两个高速开关，对SRD输出跳变信号边沿进行微分，形成上下对称的尖峰脉冲信号，相当于取样脉冲。肖特基二极管的特性是导通电阻很小，而截止电阻趋于无穷大，当取样脉冲信号来到时，D2和D3瞬时导通，此时VCO输出的射频信号在尖峰脉冲的持续时间内，向肖特基二极管D2和D3的势垒电容充电，完成对VCO输出信号的瞬时取样功能。由于取样脉冲持续时间很短，D2和D3的接触电阻也很小，充电时间常数也很小，可以视作理想采样。取样脉冲过去后，肖特基二极管对瞬时截止，这时D2和D3的两端保持了VCO信号的瞬时电平值，通过低通滤波器完成对采样信号的保持。

取样器的4脚输入第一本振VCO的二分频信号，频率范围是2.5GHz～6.25GHz。由图1可知，射频信号在进入取样器之前经过了放大、分频，以及再次放大的处理过程。其中，放大和分频处理会产生输入信号的谐波或分谐波信号，如果射频信号直接被取样器取样会产生干扰信号，在落入鉴相频率区间内时，就会在第一本振输出端产生杂散干扰信号，因此，在信号送入取样器之前，需要先通过微带线低通滤波器进行滤波，微带线低通滤波器在截止频率2倍频后存在寄生通带，因此滤波器后再串联一个截止频率为7GHz的集成低通滤波器以加大对二次以上谐波的抑制能力。取样器射频输入信号通过隔直电容进入取样器，电容可以抑制取样本振及低次谐波反向串扰进入射频信号通道。

取样器的3脚和5脚为中频信号的输出，由于取样器内肖特基二极管绝大部分时间处于截止状态，阻抗接近无穷大，因此取样中频为高阻抗信号，平衡输出的误差中频信号通过合并成一路信号后进入射随器输入端，射随器一方面将取样器输出的高阻抗信号转换成50欧姆的低阻信号，另一方面由于工作频率较低，可以起到滤除高频杂波干扰的作用。取样器的射频端口输入功率为-10dBm时，射随器输出中频功率值约-30dBm，需经放大之后才能满足鉴相器前端的ECL限幅放大器端口输入信号峰峰值不小于-12.5dBm的要求，因而取样中频电路设计在射极跟随器后端采取放大、低通滤波、放大、低通滤波的方法，两级放大器的增益共约35dB，最终输出中频信号功率值为-10dBm至5dBm，可以满足主鉴相电路的要求。

在上述实施例中，提出了一种宽带锁相频率合成技术，以两个MMIC压控振荡器(VCO)芯片作为主锁相环路振荡器，实现了5GHz到12.5GHz范围的宽带频率、高分辨率的锁相频率合成，能够在任意频率扫宽下测量，同时采用开关进行模式选择，可以实现单环分频模式与多环取样模式并用，同时又可以实现低相位噪声的小数分频环路和取样本振环路。进一步的，通过将宽带锁相频率合成电路采用射频微波集成IC在单块电路板上实现，可以有效减小电路板尺寸，提升宽带频率合成模块的集成度，且本例中的合成的频率信号相位噪声指标高，通用性强，可广泛用于频谱检测设备、手持式频谱分析仪、手持式无线通信综合测试仪等电子测量类仪器，缩短了此类电子测量仪器的设计和研发周期。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带锁相频率合成电路，其特征在于，包括：

第一滤波器，输入端与小数分频环路的输出相连，输出端与第一放大器相连；

所述第一放大器，输出端与鉴相器的第一输入端相连；

所述鉴相器，输出端与积分器相连；

所述积分器，第一输出端与第一压控振荡器的输入端相连，第二输出端与第二压控振荡器的输入端相连；

耦合器，输入端与所述第一压控振荡器的输出端和所述第二压控振荡器的输出端相连，第一输出端与第二放大器的输入端相连，第二输出端与第三放大器的输入端相连；

所述第二放大器，输出端作为宽带锁相频率合成电路的输出；

所述第三放大器，输出端与第一分频器的输入端相连；

所述第一分频器，输出端与第四放大器的输入端相连；

所述第四放大器，输出端与第一单刀双掷开关的输入端相连；

所述第一单刀双掷开关，第一输出端与第二分频器的输入端相连，第二输出端与第二单刀双掷开关的输入端相连；

所述第二分频器，输出端与第三分频器的输入端相连；

所述第三分频器，输出端与第一双刀单掷开关的第一输入端相连；

所述第二单刀双掷开关，第一输出端与第二滤波器的输入端相连，第二输出端与第三滤波器的输入端相连；

所述第二双刀单掷开关，第一输入端与所述第二滤波器的输出端相连，第二输入端与所述第三滤波器的输出端相连，输出端与取样器的第一输入端相连；

所述取样器，输出端与阻抗变换电路的输入端相连；

所述阻抗变换电路，输出端与放大电路的输入端相连；

所述放大电路，输出端与所述第一双刀单掷开关的第二输入端相连；

所述第一双刀单掷开关，输出端与第五放大器的输入端相连；

所述第五放大器，输出端与所述鉴相器的第二输入端相连；

取样本振环路，输出端与所述取样器的第二输入端相连。

2.如权利要求1所述的宽带锁相频率合成电路，其特征在于，所述第一压控振荡器的输出频率为5GHz到9GHz，所述第二压控振荡器的输出频率为9GHz到12.5GHz。

3.如权利要求1所述的宽带锁相频率合成电路，其特征在于，所述第二滤波器为3.8GHz低通滤波器，所述第三滤波器为6.25GHz低通滤波器。

4.如权利要求1所述的宽带锁相频率合成电路，其特征在于，所述第一分频器的分频系数为2，所述第二分频器的分频系数为8，所述第三分频器的分频系数为16。

5.如权利要求1至4中任一项所述的宽带锁相频率合成电路，其特征在于，集成设置在单块电路板上。