一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，包括晶體振蕩器、第一級鎖相環部分、分頻濾波部分、第二級鎖相環部分和可控分頻部分；晶體振蕩器向第一級鎖相環部分提供參考信號；第一級鎖相環部分根據晶體振蕩器提供的參考信號進行選頻；分頻濾波部分對第一級鎖相環部分選出的頻點進行分頻，獲得第二級鎖相環部分的參考信號；第二級鎖相環部分根據分頻濾波部分提供的參考信號進行捷變頻調制、寬帶調頻，獲得寬帶調頻信號；可控分頻部分對寬帶調頻信號的頻率帶寬進行擴展，以獲得所需頻率帶寬的輸出信號。本發明實現了低雜散、寬頻帶、捷變頻的設計目標，可以改善雜散指標、縮短系統鎖定時間，提高系統的可靠性，有極好的經濟效益和應用前景。
【專利說明】一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源
【技術領域】
[0001]本發明涉及頻率源設計領域，尤其涉及一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源。【背景技術】
[0002]隨著現代通信技術的發展，頻率源在通信中的作用越來越重要。在通信雷達、無線通信、微波測試設備和頻譜監測等系統的射頻前端中，都需要使用寬頻帶、低雜散、低相位噪聲的微波頻率源來提高系統的抗干擾能力以及通信的保密能力。微波頻率源是一個微波系統的心臟，它決定了系統性能的好差。在高精度測距雷達上，微波頻率源就決定了雷達距離分辨率等指標。隨著信號源、頻譜分析儀、矢量網絡分析儀等射頻微波測試設備的發展，對頻率源的各方面指標都提出了越來越高的要求。因此，研究寬頻帶、低相噪、低雜散的微波頻率源具有非常重要的意義。
[0003]頻率源中多用到頻率合成技術。隨著技術的發展，許多的新技術被融合在一起用到了頻率合成器中，其中使用較為廣泛的是直接頻率合成技術(DDS)和鎖相環技術(PLL)。這些技術使得頻率源能夠產生很多種能夠滿足各種需求的頻率信號，同時也伴隨著一些問題，比如雜散。而一般情況下，雜散只能依靠在頻率源中選擇特定的頻率點或者使用濾波器來慮除。所以，在使用這些技術的同時要合理設計方案綜合考慮指標滿足設計需求。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，通過第一級和第二級鎖相環的配合很好的實現了低雜散、寬頻帶、捷變頻的設計目標，可以改善雜散指標、縮短系統鎖定時間，提高系統的可靠性，有極好的經濟效益和應用前景。
[0005]為實現上述目的，本發明采取如下技術方案:
[0006]一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，該頻率源包括晶體振蕩器、第一級鎖相環部分、分頻濾波部分、第二級鎖相環部分和可控分頻部分；所述晶體振蕩器用于向第一級鎖相環部分提供參考信號；所述第一級鎖相環部分用于根據晶體振蕩器提供的參考信號進行選頻；所述分頻濾波部分用于對第一級鎖相環部分選出的頻點進行分頻，獲得第二級鎖相環部分的參考信號；所述第二級鎖相環部分用于根據分頻濾波部分提供的參考信號進行捷變頻調制、寬帶調頻，獲得寬帶調頻信號；所述可控分頻部分對寬帶調頻信號的頻率帶寬進行擴展，以獲得所需頻率帶寬的輸出信號。
[0007]更進一步的，第一級鎖相環部分包括鎖相環芯片、三階無源環路濾波器、窄帶壓控振蕩器和功分器；所述鎖相環芯片電荷泵輸出后與三階無源環路濾波器相連，從而將晶體振蕩器輸入的參考信號轉化為平均電壓信號輸出，所述窄帶壓控振蕩器根據平均電壓信號生成所需頻點對應的頻率信號，所述功分器將窄帶壓控振蕩器生成的頻率信號一路送入分頻濾波部分，另一路反饋至鎖相環芯片。本發明選擇無源環路濾波器，可以避免環路濾波中有源器件引入噪聲導致的相噪惡化[0008]更進一步的，晶體振蕩器為高穩定度的恒溫晶振，輸出頻率為100MHz，相位噪聲達到155dBc/HZ@lkHZ。所述晶體振蕩器提供的參考信號為IOOMHz參考信號，所述第一級鎖相環部分選頻后輸出2400MHz或者2500MHz頻率信號。
[0009]更進一步的，分頻濾波部分包括分頻器、放大器和濾波器，第一級鎖相環部分選出的頻點經分頻器分頻、放大器信號放大和濾波器濾波后生成第二級鎖相環部分參考信號。
[0010]更進一步的，分頻器為50分頻器，通過2分頻器和25分頻器并聯方式實現，所述濾波器為7階橢圓濾波器，所述第二級鎖相環部分參考信號頻率為48MHz或者50MHz，所述放大器增益為15dB。
[0011]更進一步的，第二級鎖相環部分包括鎖相環芯片、三階有源環路濾波器、電壓預置電路和寬帶壓控振蕩器；所述鎖相環芯片電荷泵輸出后與三階有源環路濾波器相連，從而將分頻濾波部分輸入的參考信號轉化為平均電壓信號輸出；所述電壓預置電路將平均電壓信號變換為寬帶電壓信號，所述寬帶壓控振蕩器根據寬帶電壓信號生成寬帶調頻信號，所述寬帶調頻信號一路經二分頻器反饋至鎖相環芯片，另一路輸入可控分頻部分。
[0012]更進一步的，電壓預置電路在FPGA芯片控制下將平均電壓信號變換為寬帶電壓信號。
[0013]更進一步的，寬帶壓控振蕩器采用HMC587LC4B芯片，HMC587LC4B芯片的帶寬可達到 5-10GHz，相位噪聲可達到-95dBc/Hz@100kHz。
[0014]更進一步的，鎖相環芯片采用Hittite的低相位噪聲鎖相環芯片HMC701LP6C。它具有小數分頻的功能，可以實現最小3Hz的分辨率。它還具有優秀的低相位噪聲性能，在小數分頻輸出6GHz，鑒相頻率為50MHz的情況下，相位噪聲可達到-103dBc/Hz@20kHz (小數模式)-110dBc/HZ@20kHZ (整數模式)。在設計中還應用到了它的快速鎖定功能，可以大大加快電路的捷變頻能力。
[0015]更進一步的，可控分頻部分包括可控分頻器，所述可控分頻器包括1、2、4、8四種分頻形式。
[0016]有益效果:(1)本發明通過第一級和第二級鎖相環的配合改善雜散指標、縮短系統鎖定時間，提高系統的可靠性，有極好的經濟效益和應用前景，特別適用于軍用雷達、無線通信和電子偵測及對抗等系統，以及各種射頻微波測試儀器的設計。(2)本發明第一級鎖相環主要進行選頻，選擇出鎖定后性能指標最好的幾個頻點，然后經過分頻作為第二級鎖相環的參考信號，給第二級鎖相環提供良好的基準。第二級鎖相環主要實現寬帶功能，其中使用了寬帶壓控振蕩器VC0，并加入了電壓預置電路使系統達到寬帶調頻功能的同時具有捷變頻的能力，以實現本頻率源寬帶捷變頻的性能。(3)本發明在兩級鎖相環均采用Hittite的低相位噪聲鎖相環芯片HMC701LP6C。它具有小數分頻的功能，可以實現最小3Hz的分辨率。它還具有優秀的低相位噪聲性能，在小數分頻輸出6GHz，鑒相頻率為50MHz的情況下，相位噪聲可達到-103dBc/Hz@20kHz (小數模式)-110dBc/Hz@20kHz (整數模式)。在設計中還應用到了它的快速鎖定功能，可以大大加快電路的捷變頻能力。(4)本發明第一級鎖相環和第二級鎖相環路采用高階濾波器，在保證相同的鑒相雜散抑制的同時，可以允許更寬的環路帶寬和更高的鑒相頻率，降低了分頻比，從而改善鎖相環的帶內相位噪聲性能。
【專利附圖】
【附圖說明】[0017]圖1為本發明提供的兩級鎖相環結構圖。
[0018]圖2為本發明提供的以HMC701LP6C為核心的兩級鎖相環結構圖。
[0019]圖3為第一級鎖相環路部分的結構框圖。
[0020]圖4為分頻濾波部分電路結構框圖。
[0021]圖5為本發明采用的HMC361S8芯片噪聲基底仿真圖。
[0022]圖6為本發明提供的橢圓濾波器電路圖。
[0023]圖7為橢圓濾波器電路S參數仿真曲線。
[0024]圖8為第二級鎖相環路部分的結構框圖。
[0025]圖9為帶有電壓預置電路的第二級鎖相環路部分結構圖。
[0026]圖10為電壓預置電路結構圖。
[0027]圖11為可控分頻部分頻帶展寬的原理框圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0029]如圖1所示，發明提供的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，它主要由第一級鎖相環部分、分頻濾波部分、第二級鎖相環部分及最后的可控分頻部分。第一級鎖相環主要進行選頻，選擇出鎖定后性能指標最好的幾個頻點，然后經過分頻作為第二級鎖相環的參考信號，給第二級鎖相環提供良好的基準。第二級鎖相環主要實現寬帶功能，其中使用了寬帶壓控振蕩器VC0，并且加入了電壓預置電路使系統達到寬帶調頻功能的同時具有捷變頻的能力。通過第一級和第二級鎖相環的配合很好的實現了低雜散、寬頻帶、捷變頻的設計目標。
[0030]本發明綜合考慮成本和性能，在兩級鎖相環均采用Hittite的低相位噪聲鎖相環芯片HMC701LP6C。它具有小數分頻的功能，可以實現最小3Hz的分辨率。它還具有優秀的低相位噪聲性能，在小數分頻輸出6GHz，鑒相頻率為50MHz的情況下，相位噪聲可達到-103dBc/Hz@20kHz (小數模式)-110dBc/Hz@20kHz (整數模式)。在設計中還應用到了它的快速鎖定功能，可以大大加快電路的捷變頻能力。以HMC701LP6C為核心的兩級鎖相環結構如圖1所示。
[0031 ] (I)第一級鎖相環設計
[0032]第一級鎖相環的結構框圖如圖3所示，由恒溫晶振產生的IOOMHz的參考信號首先進入到第一級的鎖相環作為第一級鎖相環部分的基準頻率。由于此IOOMHz信號是整個電路的基準，因此對它的性能要求很高。本實例采用高穩定度的恒溫晶振，輸出頻率為100MHz，相位噪聲達到155dBc/HZ@lkHZ。根據相位噪聲原理，IOGHz頻率時的相位噪聲最理想可達到115dBc/HZ@lkHZ，但考慮各方面因素導致的指標惡化，本發明認為IOGHz頻率時的相位噪聲可滿足90dBc/Hz@lkHz。
[0033]本發明在設計時，對HMC701LP6C的工作模式選擇整數分頻模式和電荷泵輸出。鎖相環芯片HMC701LP6C電荷泵輸出后與低通濾波器相連，從而將參考信號轉化為平均電壓輸出，此平均電壓一般是通過低通濾波器的電容進行電荷積累產生，并且低通濾波器同時對噪聲及鑒相輸出的紋波等干擾進行抑制。電荷泵輸出和鑒相器直接輸出不同，它把輸出轉化為誤差電流而不是誤差電壓，具有低功耗、高速、低抖動等優秀特點。又因為電荷泵輸出增益高，所以在設計中低通濾波器選擇無源環路濾波器，可以避免環路濾波中有源器件引入噪聲導致的相噪惡化。而高階環路濾波器可在保證相同的鑒相雜散抑制的同時，可以允許更寬的環路帶寬和更高的鑒相頻率，降低了分頻比，從而改善鎖相環的帶內相位噪聲性能，因此第一級鎖相環路采用三階無源環路濾波器。
[0034]壓控振蕩器VCO隨著調諧帶寬的變大，品質因數會降低，導致頻率穩定度下降，因此窄帶壓控振蕩器VCO比寬帶壓控振蕩器VCO具有更好的頻率穩定度。為了保證很高的頻率穩定度，第一級鎖相環路采用窄帶壓控振蕩器VC0。
[0035]提高鑒相頻率在一定程度上會造成鑒相器噪聲惡化，但同時也降低了分頻比。相比于提高鑒相頻率所帶來的噪聲惡化量，降低分頻比所帶來的噪聲改善更好些。所以提高鑒相頻率也能降低鎖相環的相位噪聲。因此選擇鎖相環芯片HMC701LP6C整數模式下的最高鑒相頻率IOOMHz，根據窄帶壓控振蕩器VCO的帶寬，分頻比可選擇24或者25。第一級輸出頻率可以是2400MHz或者2500MHz。
[0036](2)分頻濾波部分設計
[0037]這部分電路起著銜接兩級鎖相環路的作用，所以在處理第一級輸出信號的過程中要著重考慮降低噪聲、抑制諧波及控制功率等方面設計。分頻濾波部分電路的結構框圖如圖4所示。
[0038]首先對第一級輸出信號進行50分頻得到48MHz或者50MHz的信號。為了實現50分頻，設計中使用兩級分頻，先進行2分頻，然后進行25分頻。分頻器的噪聲會影響到分頻之后的信號性能，因此要選擇噪聲基底比較低的分頻器。其中2分頻器選擇Hittite公司的HMC361S8，它的噪聲基底如圖5所示達到148dBc/Hz@100kHz，其單邊帶相位噪聲參數PIN=OdBm, T=25。。。
[0039]由于分頻器的噪聲基底比較低，因此在分頻之后基本可實現相位噪聲比分頻之前改善201g(N)。分頻之后功率在_13dBm，如果直接進行濾波，進行損耗之后功率將更小。而HMC701LP6C需要的參考信號功率必須達到_6dBm以上，因此分頻之后需要放大，將功率滿足后端的輸入要求。且放大器增益至少需要IOdB以上。為了使后端功能最佳，放大器增益最好為15dB左右，將功率放大至2dBm左右。由于放大器會引入噪聲，因此最好選用低噪聲放大器，在保證增益的同時盡可能少的引入噪聲。
[0040]放大之后最好進行濾波，將諧波和雜波就行抑制，降低信號的雜散。本實例根據目標設計采用7階橢圓濾波器，在ADS軟件中的電路結構和仿真曲線如圖6、7所示，由圖6可以看到當48MHz信號經過此濾波器的時候，損耗較小且對高頻雜波及諧波抑制較好，滿足設計目標。
[0041 ] (3)第二級鎖相環路設計
[0042]第二級鎖相環路主要實現寬帶調頻、捷變頻的性能。第二級的鎖相環芯片仍然采用HMC701L06C。由于要實現寬帶調頻的性能，因此必須選擇寬帶的壓控振蕩器VC0。根據設計需求采用HMC587LC4B。這款壓控振蕩器VCO的帶寬可達到5_10GHz，相位噪聲可達到-95dBc/HZ@100kHZ。并且在壓控振蕩器前加入相位預置電路，增強環路的捷變頻能力。第二級鎖相環路的結構框圖如圖8所示。
[0043]第二級鎖相環路的調諧帶寬達到5GHz，因此需要的調諧電壓范圍也很寬，需要
0.2V-13.3V。而鎖相環芯片HMC701L06C電荷泵的最大輸出電壓為5V，因此需要使用有源環路濾波器來增大調諧電壓范圍。因為采用多階極點可以改善有源濾波器的性能，通常有源環路濾波器常選擇二階以上，為兼顧鎖相環路的雜散抑制和環路帶寬，本實例采用三階有源環路濾波器。
[0044]為了增強頻率源的捷變頻能力，加快環路的鎖定，在環路中還加入了電壓預置功能。在運放和壓控振蕩器VCO調諧電壓端口之間加入預置功能電路，其中電壓預置電路如圖10所示，使運放輸出端的電壓基本保持不變，通過FPGA程序配置，改變壓控振蕩器VCO調諧電壓，使輸出所需頻點，具體帶有電壓預置電路的第二級鎖相環路部分結構如圖9所
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[0045]從帶有電壓預置電路的第二級鎖相環路部分可以看出，當運放后端電壓不變而配置參數改變時，壓控振蕩器VCO調諧電壓也隨著改變。設計中設置運放后端電壓較大，然后通過配置使電壓分壓以得到我們所需的電壓，進而得到期望的壓控振蕩器VCO輸出頻率。
[0046](4)頻帶展寬部分
[0047]從第二級環路輸出的頻率為5-l0GHz，需要展寬頻帶以達到1-10Hz的寬帶調頻。因此為了展寬頻帶，設計中使用現有可控分頻器。通過程序配置分頻器以實現1、2、4、8四種分頻形式。頻帶展寬的原理框圖如圖11所示。
[0048]頻帶展寬之后即實現1-10GHz的寬帶調頻。且輸出頻率可達到2dBm。并且通過測試測得 IOGHz 時的相位噪聲為 88dBc/Hz@lkHz、96dBc/Hz@10kHz、98dBc/Hz@100kHz。滿足設計指標。
[0049]本實例設計的寬帶捷變頻頻率源指標如下:
[0050]表1設計指標
【權利要求】
1.一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:該頻率源包括晶體振蕩器、第一級鎖相環部分、分頻濾波部分、第二級鎖相環部分和可控分頻部分；所述晶體振蕩器用于向第一級鎖相環部分提供參考信號；所述第一級鎖相環部分用于根據晶體振蕩器提供的參考信號進行選頻；所述分頻濾波部分用于對第一級鎖相環部分選出的頻點進行分頻，獲得第二級鎖相環部分的參考信號；所述第二級鎖相環部分用于根據分頻濾波部分提供的參考信號進行捷變頻調制、寬帶調頻，獲得寬帶調頻信號；所述可控分頻部分對寬帶調頻信號的頻率帶寬進行擴展，以獲得所需頻率帶寬的輸出信號。
2.根據權利要求1所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述第一級鎖相環部分包括鎖相環芯片、三階無源環路濾波器、窄帶壓控振蕩器和功分器；所述鎖相環芯片電荷泵輸出后與三階無源環路濾波器相連，從而將晶體振蕩器輸入的參考信號轉化為平均電壓信號輸出，所述窄帶壓控振蕩器根據平均電壓信號生成所需頻點對應的頻率信號，所述功分器將窄帶壓控振蕩器生成的頻率信號一路送入分頻濾波部分，另一路反饋至鎖相環芯片。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述晶體振蕩器為恒溫晶振，所述晶體振蕩器提供的參考信號為IOOMHz參考信號，所述第一級鎖相環部分選頻后輸出2400MHz或者2500MHz頻率信號。
4.根據權利要求1所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述分頻濾波部分包括分頻器、放大器和濾波器，第一級鎖相環部分選出的頻點經分頻器分頻、放大器信號放大和濾波器濾波后生成第二級鎖相環部分參考信號。
5.根據權利要求4所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述分頻器為50分頻器，通過2分頻器和25分頻器并聯方式實現，所述濾波器為7階橢圓濾波器，所述第二級鎖相環部分參考信號頻率為48MHz或者50MHz，所述放大器增益為15dB。
6.根據權利要求1所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述第二級鎖相環部分包括鎖相環芯片、三階有源環路濾波器、電壓預置電路和寬帶壓控振蕩器；所述鎖相環芯片電荷泵輸出后與三階有源環路濾波器相連，從而將分頻濾波部分輸入的參考信號轉化為平均電壓信號輸出；所述電壓預置電路將平均電壓信號變換為寬帶電壓信號，所述寬帶壓控振蕩器根據寬帶電壓信號生成寬帶調頻信號，所述寬帶調頻信號一路經二分頻器反饋至鎖相環芯片，另一路輸入可控分頻部分。
7.根據權利要求6所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述電壓預置電路在FPGA芯片控制下將平均電壓信號變換為寬帶電壓信號。
8.根據權利要求6所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述寬帶壓控振蕩器采用HMC587LC4B芯片。
9.根據權利要求2或6所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述鎖相環芯片采用HMC701L06C芯片。
10.根據權利要求1所述的一種基于雙鎖相環的寬帶捷變頻頻率源，其特征在于:所述可控分頻部分包括可控分頻器，所述可控分頻器包括1、2、4、8四種分頻形式。
【文檔編號】H03L7/18GK103795410SQ201410037066
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】姚興強, 李躍進 申請人:南京熊貓電子股份有限公司, 南京熊貓通信科技有限公司, 南京熊貓漢達科技有限公司