專利名稱：一種諧波鎖相頻率源及其鎖相方法
技術領域：
本發明涉及屬于模擬鎖相頻率合成技術領域，尤其涉及一種諧波鎖相頻率源及其 鎖相方法。
背景技術：
隨著目前通信和雷達技術的發展，對系統中本振(LO)的相位噪聲及雜波抑制特性 提出了越來越高的要求。在很多情況下，用傳統的鎖相頻率源已經不能滿足使用要求，而諧 波鎖相頻率源由于具有低相位噪聲、高雜波抑制、低成本等方面的優勢，在絕大多數情況下 完全可以替代傳統的鎖相頻率源。
發明內容
鑒于目前通信和雷達技術的發展，對頻率源提出了越來越高的要求，傳統的頻率 源已不能滿足通信的需求，需要一種低相位噪聲、較好的雜波抑制特性的頻率源。因此有必 要提供一種諧波鎖相頻率源及其鎖相方法。本發明提供一種諧波鎖相頻率源，其特征在于其包括晶體振蕩器、微波取樣鑒相 器、環路濾波及自動捕獲電路、壓控振蕩器、耦合器、鎖定檢測電路；所述微波取樣鑒相器的 輸入端分別與所述晶體振蕩器和所述耦合器的輸出端相連；所述環路濾波及自動捕獲電路 的輸入端與微波取樣鑒相器的輸出端相連；所述壓控振蕩器的輸入端與環路濾波及自動捕 獲電路的輸出端相連，壓控振蕩器的輸出端與所述耦合器相連；所述鎖定檢測電路的輸入 端與環路濾波及自動捕獲電路的輸出端相連。優選地，所述諧波鎖相頻率源還包括放大器和濾波器，所述放大器輸入端和所述 耦合器的主路輸出端相連，放大器輸出端與所述濾波器輸入端相連。所述壓控振蕩器的輸 出功率大于或等于IOdBm,相位噪聲低于-130 dBc/Hzil00KHzo所述諧波鎖相頻率源分成 微波和電路兩部分，兩部分的腔體內壁分別存在絕緣子；所述微波部分包括壓控振蕩器、耦 合器、濾波器及放大器，所述電路部分包括微波取樣鑒相器、環路濾波及自動捕獲電路、鎖 定檢測電路。優選地，晶體振蕩器為恒溫晶體振蕩器，所述恒溫晶體振蕩器的相位噪聲低 于-150 dBc/Hz@lKHz、-155 dBc/Hz@10KHz、-155 dBc/Hzil00KHzo 所述恒溫晶體振蕩器的 頻率溫度穩定度〈士 lppm。本發明還提供一種諧波鎖相頻率源的鎖相方法，其特征在于晶體振蕩器產生的參 考信號通過傳輸巴侖送到微波取樣鑒相器產生參考信號整數倍的諧波頻率，其中的一個諧 波信號與壓控振蕩器通過耦合電路返回的頻率在取樣鑒相器中進行鑒相，微波取樣鑒相器 在對這兩個信號進行相位比較后，輸出一個反映兩個信號相位差的差拍信號送到環路濾波 及自動捕獲電路，經過環路濾波電路濾除高頻信號后，環路濾波器輸出電壓控制壓控振蕩 器的輸出頻率，從而將壓控振蕩器的輸出鎖定在參考信號的諧波頻率上。優選地，所述壓控振蕩器的輸出送至耦合器后，耦合器的主路輸出經過放大濾波，最終輸出。本發明的有益效果為本發明一方面因為用于鎖相的DRO介質振蕩器/CRO陶瓷 介質振蕩器具有高Q值特性，噪聲基底非常低，故遠端相位噪聲遠優于傳統的基于VCO壓 控振蕩器的鎖相頻率源；另一方面因為利用了微波取樣鑒相器直接將輸出鎖定在參考信號 的諧波頻率上，近端相位噪聲特性也遠優于傳統的鎖相頻率源。頻率源提供的輸出頻率 3GHz ；相位噪聲優于-115dBc/Hz@lKHz ；優于-125dBc/Hz@10KHz ；雜波抑制優于 _70dBc ； 輸出功率大于或等于+ 13dBm ；工作電壓+ 15V ；參考工作頻率100MHz (外供)；工作溫 度-40 +70°C。本發明提供的頻率源具有低相位噪聲，較好的雜波抑制特性等特點。本 發明還提供一種諧波鎖相頻率源的鎖相方法。說明書附圖
圖1是本發明的簡要工作原理框圖； 圖2是本發明微波取樣鑒相器組成； 圖3是本發明的環路濾波及自動捕獲電路； 圖4是本發明的結構布局。
具體實施例方式下面結合說明書附圖，具體說明本發明的具體實施方式
。諧波鎖相頻率源主要由以下幾個部分組成高穩定、低相噪晶體振蕩器，微波取樣 鑒相器SPD，環路濾波及自動捕獲電路，鎖定檢測電路、壓控振蕩器如DRO介質振蕩器/CRO 陶瓷介質振蕩器及耦合、放大及濾波電路等。諧波鎖相頻率源，是利用諧波鎖相技術實現的鎖相式頻率源，有別于傳統的利用 整數或小數分頻技術實現的鎖相頻率源，其主要優勢是相位噪聲特性。傳統的鎖相頻率源 由于預分頻器和分頻器的的應用，對輸出信號的相位噪聲特性影響比較大。而諧波鎖相頻 率源一方面因為用于鎖相的DRO介質振蕩器/CRO陶瓷介質振蕩器具有高Q值特性，噪聲基 底非常低，故遠端相位噪聲遠優于傳統的基于VCO壓控振蕩器的鎖相頻率源；另一方面因 為利用了微波取樣鑒相器直接將輸出鎖定在參考信號的諧波頻率上，近端相位噪聲特性也 遠優于傳統的鎖相頻率源(按晶體振蕩器近端相位噪聲+ 201gN+3計算)。此外，因為DRO/ CRO都工作在一個窄帶的頻率范圍內，諧波鎖相頻率源的雜波抑制也可以做得很好。如圖1所示的本發明的簡要工作原理框圖，晶體振蕩器產生的參考信號經過預放 大等處理，通過傳輸巴侖送到取樣鑒相器產生一系列參考信號整數倍的諧波頻率。其中 的一個諧波信號與壓控振蕩器CR0/DR0通過耦合電路返回的頻率在取樣鑒相器中進行鑒 相，微波取樣鑒相器在對這兩個信號進行相位比較后，輸出一個反映兩個信號相位差的差 拍信號送到環路濾波及自動捕獲電路，經過環路濾波電路濾除高頻信號后，環路濾波器輸 出電壓控制壓控振蕩器的輸出頻率，從而將壓控振蕩器的輸出鎖定在參考信號的諧波頻率 上。耦合器的主路輸出經過放大濾波等處理后，最終輸出滿足指標要求的連續波信號。本 發明提供的頻率源相關技術指標如下輸出頻率3GHz ；相位噪聲優于-115dBc/HZ@lKHZ ； 優于-125dBc/HZ@10KHZ ；雜波抑制優于_70dBc ；輸出功率大于或等于+ 13dBm ；工作電 壓+ 15V ；參考工作頻率100MHz (外供)；工作溫度-40 + 70°C。晶體振蕩器的作用是為諧波鎖相提供一個參考信號，它決定諧波鎖相頻率源的近端相位噪聲特性，也決定諧波鎖相頻率源的頻率穩定度及頻率精度等特性。在本發明中采 用的晶體振蕩器為低相噪、高溫度穩定度的恒溫晶體振蕩器(0CX0)，其指標如下輸出頻 率100MHz ；相位噪聲優于-150 dBc/HzilKHz ；優于-155 dBc/HzilOKHz ；優于-155 dBc/ HzilOOKHz ；頻率溫度穩定度優于士 Ippm ；頻率精度優于士 lppm。如圖2所示的本發明微波取樣鑒相器組成，本發明選用的取樣鑒相器由3個部分 組成，SRD(階躍恢復二極管):SRD對應的是取樣鑒相器中的D1，它的作用從頻域上看是產生 一系列輸出頻率是輸入晶體振蕩器頻率整數倍的諧波頻率，這一系列頻率被稱為梳線譜。 從時域上看，它的作用是產生一個周期和輸入信號頻率一樣的窄脈沖。門電容門電容對 應取樣鑒相器中的Cl和C2，它們在取樣鑒相器中的作用就如同一個開關，開關的通斷是由 SRD產生的脈沖控制的。肖特基二極管肖特基二極管對應取樣鑒相器中的D2和D3，這一 對肖特基二極管的作用是作為鑒相器來比較輸出信號與相應參考信號的諧波頻率的，其輸 出的差拍信號送到鎖相環路中的環路濾波放大器做鎖相用。如圖3所示的本發明的環路濾波及自動捕獲電路，該電路決定了鎖相環路能否進 入自動捕獲、輸出信號的近端相位噪聲、環路的穩定性等特性。壓控振蕩器如介質振蕩器CRO或陶瓷介質振蕩器DRO的作用就是產生需要的輸出 信號，在本發明中擬采用的壓控振蕩器CRO指標如下工作頻率3GHz士30MHz ；調諧電壓 OV 15V ；3GHz調諧電壓7. 5V士 IV ；輸出功率大于或等于IOdBm ；相位噪聲優于-130 dBc/HzilOOKHz ；工作溫度_40 + 70°C。壓控振蕩器CRO的輸出信號除直接向外輸出外， 還需要耦合一路信號回鎖相環路形成完整的負反饋，以完成鎖相。從經濟及節約空間的角 度考慮，該定向耦合器可以用三個18 Ω的電阻功分來替代。壓控振蕩器CRO的輸出信號經 過功分后，再加輸出前的濾波等處理，若直接輸出，其輸出功率過小，另外，為了提高本頻率 源的帶載能力，所以我們需要選用一個IdB壓縮點功率比較大的放大器來實現信號放大隔 離的功能。在本發明中，選用MINI公司的單片放大器ERA — 5SM。壓控振蕩器CRO輸出的 信號除了需要的3GHz信號外，還有其諧波信號，也可能含有其他的雜波信號，為了滿足雜 波抑制的指標要求，我們需要在放大器之后使用一帶通濾波器。從經濟及節約空間的角度 考慮，選用MINI公司的高通濾波器HFTC - 26和低通濾波器LFCN — 3000來配合使用。本方案中發熱量最大的器件是壓控振蕩器CR0，為幫助該器件散熱，在該器件與微 波板的接地腳處采用大面積接地，并盡量靠近盒體壁處。當環路處于失鎖狀態時，對壓控振蕩器CRO的調諧電壓將會是三角波掃描電壓， 這期間就會產生低電平，當環路處于鎖定狀態時，三角波電壓信號就會被停止，這時的調諧 電壓將會是高電平。鎖定檢測電路就是對壓控振蕩器CRO的調諧電壓進行采樣保持，并產 生能反映鎖相環路處于鎖定和失鎖狀態的高、低電平，也可以進一步利用產生的高、低電平 來驅動發光二極管等器件，以直觀的反映環路的鎖定和失鎖狀態。如圖4所示的本發明的結構布局，從電磁兼容設計的角度考慮，本方案可以考慮 用腔體把諧波鎖相頻率源分成兩個部分微波部分和電路部分。微波部分主要是諧波鎖相 CR0、耦合、濾波及放大等功能模塊構成，電路部分主要有參考信號預放大、SPD、環路濾波及 自動捕獲電路、鎖定檢測電路等功能模塊構成。兩個部分直接的饋電和信號傳輸可以通過 腔體壁上的絕緣子來實現，這樣可以減少兩個部分之間相互影響，實現電磁兼容。本發明并不局限于前述的具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
1.一種諧波鎖相頻率源，其特征在于其包括晶體振蕩器、微波取樣鑒相器、環路濾波及 自動捕獲電路、壓控振蕩器、耦合器、鎖定檢測電路；所述微波取樣鑒相器的輸入端分別與所述晶體振蕩器和所述耦合器的輸出端相連；所述環路濾波及自動捕獲電路的輸入端與微波取樣鑒相器的輸出端相連；所述壓控振蕩器的輸入端與環路濾波及自動捕獲電路的輸出端相連，壓控振蕩器的輸 出端與所述耦合器相連；所述鎖定檢測電路的輸入端與環路濾波及自動捕獲電路的輸出端相連。
2.如權利要求1所述的諧波鎖相頻率源，其特征在于所述諧波鎖相頻率源還包括放大 器和濾波器，所述放大器輸入端和所述耦合器的主路輸出端相連，放大器輸出端與所述濾 波器輸入端相連。
3.如權利要求1所述的諧波鎖相頻率源，其特征在于所述壓控振蕩器為介質振蕩器。
4.如權利要求1所述的諧波鎖相頻率源，其特征在于所述壓控振蕩器為陶瓷介質振蕩器。
5.如權利要求1所述的諧波鎖相頻率源，其特征在于所述壓控振蕩器的輸出功率大于 或等于IOdBm,相位噪聲低于-130 dBc/Hzil00KHzo
6.如權利要求2所述的諧波鎖相頻率源，其特征在于所述諧波鎖相頻率源分成微波和 電路兩部分，兩部分的腔體內壁分別存在絕緣子；所述微波部分包括壓控振蕩器、耦合器、 濾波器及放大器，所述電路部分包括微波取樣鑒相器、環路濾波及自動捕獲電路、鎖定檢測 電路。
7.如權利要求1或2所述的諧波鎖相頻率源，其特征在于所述晶體振蕩器為恒 溫晶體振蕩器，所述恒溫晶體振蕩器的相位噪聲低于-150 dBc/HzilKHz, -155 dBc/ Hz@10KHz、-155 dBc/Hzil00KHzo
8.如權利要求5所述的諧波鎖相頻率源，其特征在于所述恒溫晶體振蕩器的頻率溫度 穩定度〈士 lppm。
9.一種諧波鎖相頻率源的鎖相方法，其特征在于晶體振蕩器產生的參考信號通過傳 輸巴侖送到微波取樣鑒相器產生參考信號整數倍的諧波頻率，其中的一個諧波信號與壓控 振蕩器通過耦合電路返回的頻率在取樣鑒相器中進行鑒相，微波取樣鑒相器在對這兩個信 號進行相位比較后，輸出一個反映兩個信號相位差的差拍信號送到環路濾波及自動捕獲電 路，經過環路濾波電路濾除高頻信號后，環路濾波器輸出電壓控制壓控振蕩器的輸出頻率， 從而將壓控振蕩器的輸出鎖定在參考信號的諧波頻率上。
10.如權利要求8所述的諧波鎖相頻率源的鎖相方法，其特征在于所述壓控振蕩器的 輸出送至耦合器后，耦合器的主路輸出經過放大濾波，最終輸出。
全文摘要
本發明公開一種諧波鎖相頻率源，其包括晶體振蕩器、微波取樣鑒相器、環路濾波及自動捕獲電路、壓控振蕩器、耦合器、鎖定檢測電路。本發明還提供一種諧波鎖相頻率源的鎖相方法，本發明提供的頻率源具有低相位噪聲，較好的雜波抑制特性等特點。本發明還提供一種諧波鎖相頻率源的鎖相方法。本發明提供的頻率源具有低相位噪聲，較好的雜波抑制特性等特點。本發明還提供一種諧波鎖相頻率源的鎖相方法。
文檔編號H03L7/08GK102006060SQ20101053411
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月8日 優先權日2010年11月8日
發明者孫敏, 文傳斌, 楊光 申請人:四川九洲電器集團有限責任公司