一種低相噪微波頻率源電路和設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，特別涉及一種低相噪微波頻率源電路和設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子設(shè)備的發(fā)展，電子系統(tǒng)對(duì)頻率源提出了愈來愈高的要求，通過鎖相技術(shù)得到高質(zhì)量的微波頻率綜合發(fā)生器的微波鎖相頻率源技術(shù)也得到很大發(fā)展。
[0003]鎖相環(huán)(PLL)如圖1所示:包括鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)，鑒相器(PD)把參考輸入信號(hào)(XTAL)的相位與壓控振蕩器(VCO)信號(hào)的相位進(jìn)行比較，由鑒相器(PD)將這兩個(gè)輸入信號(hào)的相位誤差轉(zhuǎn)換為誤差電壓，該電壓由環(huán)路濾波器濾波后作為壓控振蕩器(VCO)的控制電壓，控制電壓改變壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率，當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率即達(dá)到所需要的頻率，完成輸出頻率與參考頻率的鎖定。當(dāng)輸出頻率高于參考頻率時(shí)，一般還需要在反饋支路增加分頻器(N)，使得輸入到ro的兩路信號(hào)頻率大致相等。同樣，參考信號(hào)也可以使用一個(gè)分頻器(R)，來獲得較小的鑒相頻率。
[0004]在微波頻率綜合器的所有技術(shù)指標(biāo)中，相位噪聲(Phase noise)和跳頻時(shí)間是核心的兩項(xiàng)指標(biāo)。其中相位噪聲(Phase noise)是指系統(tǒng)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化。它是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源(高穩(wěn)晶振、原子頻標(biāo)等)頻穩(wěn)質(zhì)量的重要指標(biāo)，隨著頻標(biāo)源性能的不斷改善，相應(yīng)噪聲量值需要越來越小。在實(shí)際應(yīng)用中，一般重點(diǎn)考慮輸出頻率的載波近端相位噪聲，通過對(duì)鎖相環(huán)(PLL)架構(gòu)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到整個(gè)系統(tǒng)的輸出近端相位噪聲公式為:
[0005]PNtotal = PNKEF+PN1Hz+10*log(fcomp)+20*log(N)
[0006]其中，PNkef為參考頻率的相位噪聲，PN 1Hz為鑒相器(PD)的等效噪聲基底，當(dāng)采用數(shù)字鑒相器時(shí)，PNihz是評(píng)估鑒相器相噪特性好壞的重要參數(shù)，fcomp為鑒相頻率，fcomp =fout/N，N為反饋分頻比。因此，要得到輸出頻率有較高相噪的指標(biāo)(即是較小的PNtrtal),就需要減小N，減小fcomp，減小PNihz;但減小N和fcomp是相矛盾的；不但根據(jù)上述公式的推導(dǎo)式可以得出，仍然是以減小N來獲得較好的相噪特性。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中，一般的數(shù)字鎖相環(huán)采用數(shù)字鑒相器，數(shù)字分頻器和寬帶(或者窄帶)VCO來實(shí)現(xiàn)。然而由于數(shù)字器件的PNihz本底噪聲限制(數(shù)字器件一般都具有本底噪聲，且該本底噪聲大小根據(jù)器件的具體情況而定，在精確度要求的使用場(chǎng)合，該本底噪聲不能忽略，會(huì)對(duì)系統(tǒng)誤差和信號(hào)噪聲比產(chǎn)生較大影響)，不能獲得很好的輸出相噪特性。
[0008]另一種鎖相環(huán)就是將數(shù)字鑒相器用模擬的取樣鑒相器替代，成為取樣鎖相環(huán)。取樣鎖相(模擬鎖相)的突出優(yōu)點(diǎn)是輸出相位噪聲更低，它直接在壓控振蕩器(VCO)所處頻段高頻鑒相，不對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行預(yù)分頻處理，而且在反饋支路也沒有N分配器，同時(shí)取樣鑒相器本身有很好的PNihz噪底，從而可以實(shí)現(xiàn)低相噪的本振源(即鎖相介質(zhì)振蕩器)。但由于沒有N分頻器，當(dāng)壓控振蕩器(VCO)頻率帶寬較寬時(shí)，存在可能鎖定到參考頻率的任意諧波頻率的可能，出現(xiàn)錯(cuò)鎖問題。
[0009]為了解決錯(cuò)鎖，一般采用介質(zhì)壓控振蕩器(CRO)來代替壓控振蕩器(VCO)，介質(zhì)壓控振蕩器(CRO)具有Q值高，調(diào)諧帶寬窄的特點(diǎn)，可以避免取樣鎖相可能發(fā)生的錯(cuò)鎖。但是介質(zhì)壓控振蕩器(CRO)相比壓控振蕩器(VCO)，成本要高很多，而且不能進(jìn)行寬帶頻率輸出。
[0010]目前，現(xiàn)有技術(shù)方案是采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)來解決錯(cuò)鎖問題，但是現(xiàn)有的雙環(huán)結(jié)構(gòu)中仍然需要一個(gè)輔助的數(shù)字環(huán)路來進(jìn)行預(yù)置電壓的牽引，達(dá)到防止模擬鎖相的錯(cuò)鎖，連接電路較多，使用方案復(fù)雜。
[0011]總之，現(xiàn)有技術(shù)的問題就是:1)如果只采用數(shù)字鎖相，就不能獲得高的相噪指標(biāo)；2)只采用取樣鎖相，成本較高，也不能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，產(chǎn)品會(huì)呈現(xiàn)多樣性和不通用；3)如果采用數(shù)字鎖相和模擬鎖相兩者相結(jié)合的方法，則電路復(fù)雜，調(diào)試難度增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種低相噪微波頻率源電路和設(shè)備及方法，過增加鉗位電路模塊，在取樣鎖相方案中應(yīng)用寬帶且廉價(jià)的壓控振蕩器取代昂貴的介質(zhì)壓控振蕩器，設(shè)備成本大大降低；并可以通過對(duì)鉗位電壓的設(shè)置，達(dá)到不同頻率電路的通用性，無需更換關(guān)鍵器件即可完成，兼容性更好。本發(fā)明電路設(shè)備具有取樣鎖相的相噪指標(biāo)高，又具有數(shù)字鎖相輸出頻率可調(diào)的優(yōu)勢(shì)。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供如下發(fā)明技術(shù)方案:一種低相噪微波頻率源電路:包括:取樣鑒相器、鉗位電路模塊、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器；其中所述取樣鑒相器與所述環(huán)路濾波器相連；所述環(huán)路濾波器的另一端頭與所述鉗位電路模塊的一端頭相連，所述鉗位電路模塊的另一端與所述壓控振蕩器相連；所述壓控振蕩器與所述取樣鑒相器相連。
[0014]工作時(shí)，所述取樣鑒相器將由參考源所發(fā)出信號(hào)的相位信息和所述壓控振蕩器信號(hào)的相位信息進(jìn)行比較，并將這兩個(gè)信號(hào)的相位誤差轉(zhuǎn)換為誤差電壓，該電壓由環(huán)路濾波器濾波后作為壓控振蕩器(VCO)的控制電壓，所述壓控振蕩器根據(jù)控制電壓改變其輸出頻率，當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，所述壓控振蕩器的輸出頻率即達(dá)到所需要的頻率，完成輸出頻率與參考頻率的鎖定；本發(fā)明所述鉗位電路模塊將所述壓控振蕩器的控制電壓值控制在正確鎖定所需要的范圍內(nèi)，避免錯(cuò)鎖情況的發(fā)生。采用取樣鑒相器相比于現(xiàn)有技術(shù)中的數(shù)字鑒相器，具有本底噪聲小，不對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行預(yù)分頻處理，而且在反饋支路也沒有N分配器，所以電路具有更好的信噪特性。
[0015]其中所述鉗位電路模塊包括:第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊、第一二極管模塊、第二二極管模塊；其中所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊與所述第一二極管模塊的一端相連；所述第一二極管模塊的另一端頭與所述壓控振蕩器的輸入端頭相連；所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊與所述第二二極管模塊一端相連；所述第二二極管模塊的另一端與所述壓控振蕩器的輸入端頭相連。本發(fā)明鉗位電路模塊中，通過控制所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓的大小來控制所述第一二極管或第二二極管的導(dǎo)通情況，從而使得所述壓控振蕩器的輸入端頭的控制電壓VO保持在正確鎖定所需要的范圍。
[0016]具體的，當(dāng)所述第一二極管模塊導(dǎo)通時(shí)，所述壓控振蕩器的輸入端頭的控制電壓VO由所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓Vl來決定；當(dāng)所述第二二極管模塊導(dǎo)通時(shí)，所述壓控振蕩器的輸入端頭的控制電壓VO由所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓V2來決定；通過控制Vl和V2的電壓大小就可以確定VO的掃描范圍，避免因VO掃描范圍過大將壓控振蕩器的輸出頻率鎖到參考頻率的其它倍頻頻率上，而造成的錯(cuò)鎖情況。
[0017]作為一種優(yōu)選，所述第一二極管模塊，包括:第一二極管和第一電阻；所述第二二極管模塊，包括:第二二極管和第二電阻。在二極管模塊中增加電阻，可以起到分壓的保護(hù)的作用，提高電路運(yùn)行的穩(wěn)定性。
[0018]作為一種優(yōu)選，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊與所述第一二極管一端相連；所述第二二極管的另一端與所述第一電阻相連，所述第一電阻的另一端頭與所述壓控振蕩器的輸入端頭相連；所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊與所述第二二極管一端相連；所述第二二極管的另一端與所述第二電阻相連，所述第二電阻的另一端頭與所述壓控振蕩器的輸入端頭相連。
[0019]作為一種優(yōu)選，所述第一二極管的正向端與所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連；所述第二二極管的正向端與所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連。
[0020]在這種結(jié)構(gòu)下，假設(shè)所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓Vl小于所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓V2 (即Vl < V2)時(shí)，所述第一二極管此時(shí)處于反向偏壓狀態(tài)，所述第二二極管處于正向偏壓狀態(tài)而導(dǎo)通，此時(shí)所述壓控振蕩器的輸入端頭的控制電壓VO由第二數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓V2來決定；反之如果Vl > V2