宽带低相噪捷变频率合成器的研究
发布时间：2020-08-22 10:10
【摘要】：在新型相参雷达系统中,为进行多普勒信息的提取,要求其各信号之间需要确定的相位关系。锁相式频率合成技术作为一种反馈控制电路,可利用外部信号控制振荡频率和相位,实现本振锁相相参,因此适用于相参雷达系统。为了实现雷达对目标的搜索与跟踪,要求锁相环具有宽带,低相位噪声,捷变频,小型化的特点。本文针对相参雷达系统对锁相式频率合成器的要求,结合国内外发展现状,设计了一种1～13GHz宽带输出锁相环,实现了低相位噪声、频率捷变和小型化。根据低相噪宽带输出的要求,提出双锁相环芯片方案,即采用集成压控振荡器的宽带输出锁相环芯片作为VCO,噪底更低的锁相芯片作为鉴相器。并设计验证方案:选用HMC704作为鉴相器实现低相位噪声,选用ADF4355作为VCO实现低相位噪声宽带输出。实测该方案相位噪声指标优于单芯片(ADF4355),在3GHz和6GHz输出时,1kHz频偏处相位噪声优化了 6dBc。根据频率捷变和小型化的要求,提出切换环路滤波器方案。即当锁相环未锁定时,宽带环路滤波器接入电路实现快速锁定,锁定后切换为窄带环路滤波器以达到更好的相位噪声和杂散指标。采用单环结构,实现了小型化。最终本文结合双锁相环芯片和切换环路滤波器方案,设计实现了两款1～13GHz宽带输出低相噪捷变频率源并对比了输出指标。选用具有极低相位噪声基底的HMC698作为鉴相芯片,选用具有低相噪宽带输出范围的ADF5355和LMX2594分别作为VCO芯片,最终均达到设计要求。13GHz输出时实测相位噪声优于-95dBc/Hz@lkHz,锁定时间低于20μs。本文研制的捷变频,高性能,小型化的频率合成器具有广泛的工程应用前景。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN74
【图文】：
只能选取压控灵敏度较小的ＶＣＯ，因为压控灵敏度降低以后，可以减少ＶＣＯ输出信逡逑号的抖动。如果锁相环需要输出较大的带宽的话，则需要增大压控灵敏度，这样可以扩逡逑大调谐范围。压控振荡器的功能模型如图２．９所示。逡逑叫⑴邋＞邋Ｋ0邋９７（ｔｌ＾逡逑ｓ逡逑图２．９压控振荡器数学模型逡逑对公式（２．２８）积分得。逡逑／逦ｔ逡逑Ｊ＇ｆｔ）ｖ（ｒｙｒ邋＝邋＜ｙ＜／邋＋邋Ｊ＇Ｍｃ（ｒ）ｒｆｒ逦（２．２９）逡逑０逦０逡逑／逡逑ｅ２｛ｔ）邋＝邋Ｋ0＼ｕｃ｛＇ｌ：）ｄ＇ｌ：逦（２－３０）逡逑０逡逑２．３频率合成器主要指标逡逑２．３．１相位嗓声逡逑相位噪声的概念是对于一个输出信号频率和功率都确定的载波相在指定的频率偏逡逑移处１Ｈｚ的带宽上的功率。对于锁相频率合成技术，ｌｋＨＺ处的相位噪声主要由鉴相器逡逑和参考信号的相位噪声决定，环路滤波器和压控振荡器影响较小。相位噪声的的单位是逡逑ｄＢｃ／Ｈｚ＠ｏｆｆｓｅｔ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋0逡逑相位噪声的重要性可以通过下面一个例子来说明。假设一个信号发射系统信号的信逡逑噪比是５５ｄＢ，假设该信号功率在晴朗的天空中传输１５公里后衰变为与噪声信号相同，逡逑信号将难以捕捉。如果该信号的相位噪声指标优化了邋３ｄＢ，那么就意味着信噪比将达到逡逑５８ｄＢ，同时在相同条件下信号的传输距离将为原来的两倍，达到３０公里。所以优化相逡逑位噪声这个指标，在通信系统中，就意味着同样的信号功率可以传输更远的距离才会衰逡逑减成为噪声。可以用更少的中继系统或者发射器就可以完成相同的效果，可以节约成本逡逑和简化系统设计。逡逑相位噪声是在频域的物理量
（ｂ）逡逑图３．８本课题方案原理验证仿真图逡逑其中，图３．８中（ａ）所示的环路带宽是ｌＯＯＫＨｚ，图３．８中（ｂ）所示的环路带宽是逡逑５００ＫＨＺ从上图和仿真报告可以得出，ｌＯＯＫＨｚ环路带宽时的锁定时间为９９（ＪＳ，５００ＫＨＺ逡逑环路带宽时的锁定时间为６．７５ｍｓ。根据仿真软件可以得出该方案可以降低锁相环的频率逡逑锁定时间。逡逑３．２小型化宽带输出的常用方案逡逑现如今，随着电子系统的要求越来越高，锁相环正朝着小型化，低杂散，宽带，低逡逑频率捷变时间，低相位噪声的方向发展［５（）－５２１。逡逑在锁相环结构中，想要得到宽带输出，就必须要满足两个条件：一是鉴相器的Ｎ的逡逑取值范围必须广，二是压控振荡器（ＶＣＯ）的输出信号频率范围宽［５３】。逡逑鉴相器芯片己经可以做到很大的Ｎ的取值范围，即可以接受更广的ＶＣＯ输出频率。逡逑许多国外的厂商已经有现成的芯片可供选择。比如说亚德诺半导体公司的ＨＭＣ７０４，支逡逑持从ＤＣ￣７ＧＨｚ的输入
３．２．１邋宽带邋ＶＣＯ逡逑由第二章的理论分析可知，对于同一个ＶＣＯ，它的输出带宽和相位噪声两个指标逡逑是一个不可调和的矛盾。以亚德诺半导体公司的宽带ＶＣＯ为例，其性能指标如图３．９逡逑所乃；－。逡逑ｙ；逡逑Ｈｒ－！Ｃ？３３逦Ｗｉｄｅ－ｂａｎｄＶＣＯｓ逦１０Ｇ逦２０Ｇ逦－６０逦－９０逦２ｄＢｍ逡逑ＨＭＣ７３２逦Ｗｉｄｅｂａｎｄ邋ＶＣＯｓ逦６Ｇ逦１２Ｇ逦－６５逦－９５逦１邋ｄＢｍ逡逑ＨＭＣ５８６逦ＷｉｄｅｂａｎｄＶＣＯｓ逦４Ｇ逦８Ｇ逦－７５逦－１００逦５邋ｄＢｍ逡逑ｍｃｍｄ逦Ｗｉｄｓ＆ａｎｄＶＣＤｓ逦８Ｇ逦１２５００逦－６５逦－９３逦５邋ｄＢｍ逡逑ＮＭＣ５８７逦ＷｉｄｅｂａｎａＶＣＤｓ逦５Ｇ逦ＷＧ逦－６５逦－９５逦５邋ｄＢｍ逡逑图３．９国外宽带压控振荡器性能指标逡逑所以，使用单个ＶＣＯ无法实现锁相环的低相位噪声。一般为了实现宽带输出和低逡逑相位噪声常常使用多个ＶＣ０切换的方式ｔ５４］ｔ５５Ｌ逡逑３．２．２多ＶＣＯ切换逡逑典型的多ＶＣＯ切换实现宽带输出的结构框图如图３．１０所示。逡逑——－ＶＣ０１邋逦＊逡逑逦邋ｘｃ邋￣邋＂邋ＶＣ０２逦？江邋输■屮逡逑逦？鉴相器——环路滤波器——＾逦＾邋—－ｒ邋＞逡逑逦逦邋ＶＣＯｎ邋逦？逡逑逦Ｎ分频逦逦逡逑图３．１０多ＶＣＯ切换方案逡逑多ＶＣＯ切换是一种常用的方案，多个ＶＣＯ负责不同的频段，当需要某一频段的逡逑ＶＣＯ工作时，将它接入电路，与鉴相器，环路滤波器组成锁相环系统。通过这种方式，逡逑可以覆盖很宽的频段。所以这种方式也是现在最常用的宽带ＶＣＯ输出的方案。但是这逡逑种方案为了更宽的频率范围
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN74
【图文】：
只能选取压控灵敏度较小的ＶＣＯ，因为压控灵敏度降低以后，可以减少ＶＣＯ输出信逡逑号的抖动。如果锁相环需要输出较大的带宽的话，则需要增大压控灵敏度，这样可以扩逡逑大调谐范围。压控振荡器的功能模型如图２．９所示。逡逑叫⑴邋＞邋Ｋ0邋９７（ｔｌ＾逡逑ｓ逡逑图２．９压控振荡器数学模型逡逑对公式（２．２８）积分得。逡逑／逦ｔ逡逑Ｊ＇ｆｔ）ｖ（ｒｙｒ邋＝邋＜ｙ＜／邋＋邋Ｊ＇Ｍｃ（ｒ）ｒｆｒ逦（２．２９）逡逑０逦０逡逑／逡逑ｅ２｛ｔ）邋＝邋Ｋ0＼ｕｃ｛＇ｌ：）ｄ＇ｌ：逦（２－３０）逡逑０逡逑２．３频率合成器主要指标逡逑２．３．１相位嗓声逡逑相位噪声的概念是对于一个输出信号频率和功率都确定的载波相在指定的频率偏逡逑移处１Ｈｚ的带宽上的功率。对于锁相频率合成技术，ｌｋＨＺ处的相位噪声主要由鉴相器逡逑和参考信号的相位噪声决定，环路滤波器和压控振荡器影响较小。相位噪声的的单位是逡逑ｄＢｃ／Ｈｚ＠ｏｆｆｓｅｔ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋0逡逑相位噪声的重要性可以通过下面一个例子来说明。假设一个信号发射系统信号的信逡逑噪比是５５ｄＢ，假设该信号功率在晴朗的天空中传输１５公里后衰变为与噪声信号相同，逡逑信号将难以捕捉。如果该信号的相位噪声指标优化了邋３ｄＢ，那么就意味着信噪比将达到逡逑５８ｄＢ，同时在相同条件下信号的传输距离将为原来的两倍，达到３０公里。所以优化相逡逑位噪声这个指标，在通信系统中，就意味着同样的信号功率可以传输更远的距离才会衰逡逑减成为噪声。可以用更少的中继系统或者发射器就可以完成相同的效果，可以节约成本逡逑和简化系统设计。逡逑相位噪声是在频域的物理量
（ｂ）逡逑图３．８本课题方案原理验证仿真图逡逑其中，图３．８中（ａ）所示的环路带宽是ｌＯＯＫＨｚ，图３．８中（ｂ）所示的环路带宽是逡逑５００ＫＨＺ从上图和仿真报告可以得出，ｌＯＯＫＨｚ环路带宽时的锁定时间为９９（ＪＳ，５００ＫＨＺ逡逑环路带宽时的锁定时间为６．７５ｍｓ。根据仿真软件可以得出该方案可以降低锁相环的频率逡逑锁定时间。逡逑３．２小型化宽带输出的常用方案逡逑现如今，随着电子系统的要求越来越高，锁相环正朝着小型化，低杂散，宽带，低逡逑频率捷变时间，低相位噪声的方向发展［５（）－５２１。逡逑在锁相环结构中，想要得到宽带输出，就必须要满足两个条件：一是鉴相器的Ｎ的逡逑取值范围必须广，二是压控振荡器（ＶＣＯ）的输出信号频率范围宽［５３】。逡逑鉴相器芯片己经可以做到很大的Ｎ的取值范围，即可以接受更广的ＶＣＯ输出频率。逡逑许多国外的厂商已经有现成的芯片可供选择。比如说亚德诺半导体公司的ＨＭＣ７０４，支逡逑持从ＤＣ￣７ＧＨｚ的输入
３．２．１邋宽带邋ＶＣＯ逡逑由第二章的理论分析可知，对于同一个ＶＣＯ，它的输出带宽和相位噪声两个指标逡逑是一个不可调和的矛盾。以亚德诺半导体公司的宽带ＶＣＯ为例，其性能指标如图３．９逡逑所乃；－。逡逑ｙ；逡逑Ｈｒ－！Ｃ？３３逦Ｗｉｄｅ－ｂａｎｄＶＣＯｓ逦１０Ｇ逦２０Ｇ逦－６０逦－９０逦２ｄＢｍ逡逑ＨＭＣ７３２逦Ｗｉｄｅｂａｎｄ邋ＶＣＯｓ逦６Ｇ逦１２Ｇ逦－６５逦－９５逦１邋ｄＢｍ逡逑ＨＭＣ５８６逦ＷｉｄｅｂａｎｄＶＣＯｓ逦４Ｇ逦８Ｇ逦－７５逦－１００逦５邋ｄＢｍ逡逑ｍｃｍｄ逦Ｗｉｄｓ＆ａｎｄＶＣＤｓ逦８Ｇ逦１２５００逦－６５逦－９３逦５邋ｄＢｍ逡逑ＮＭＣ５８７逦ＷｉｄｅｂａｎａＶＣＤｓ逦５Ｇ逦ＷＧ逦－６５逦－９５逦５邋ｄＢｍ逡逑图３．９国外宽带压控振荡器性能指标逡逑所以，使用单个ＶＣＯ无法实现锁相环的低相位噪声。一般为了实现宽带输出和低逡逑相位噪声常常使用多个ＶＣ０切换的方式ｔ５４］ｔ５５Ｌ逡逑３．２．２多ＶＣＯ切换逡逑典型的多ＶＣＯ切换实现宽带输出的结构框图如图３．１０所示。逡逑——－ＶＣ０１邋逦＊逡逑逦邋ｘｃ邋￣邋＂邋ＶＣ０２逦？江邋输■屮逡逑逦？鉴相器——环路滤波器——＾逦＾邋—－ｒ邋＞逡逑逦逦邋ＶＣＯｎ邋逦？逡逑逦Ｎ分频逦逦逡逑图３．１０多ＶＣＯ切换方案逡逑多ＶＣＯ切换是一种常用的方案，多个ＶＣＯ负责不同的频段，当需要某一频段的逡逑ＶＣＯ工作时，将它接入电路，与鉴相器，环路滤波器组成锁相环系统。通过这种方式，逡逑可以覆盖很宽的频段。所以这种方式也是现在最常用的宽带ＶＣＯ输出的方案。但是这逡逑种方案为了更宽的频率范围
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 Robert Brennan;;优化带VCO的锁相环在13.6 GHz处的整数边界杂散[J];中国电子商情(基础电子);2015年10期
2 杨清福;石玉;梁孝彬;;低相噪低杂散短波频率源的原理与设计[J];磁性材料及器件;2015年02期
3 张寅;;低相噪小步进频率综合器的设计[J];中外企业家;2013年34期
4 王兵;;频率合成技术发展浅析[J];电子信息对抗技术;2009年03期
5 杨j
本文编号：2800562
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