5MHz～20GHz低相位噪声频率源的研制

文 | 南京电子计量有限公司 李兆荣 陈松涛 魏燕婷

5MHz～20GHz低相位噪声频率源的研制

文 | 南京电子计量有限公司 李兆荣 陈松涛 魏燕婷

低相位噪声源是一种频率准确度、稳定度都很高且相位噪声又非常低的频率源。本文在简要着重描述了VCXO压控晶振锁相源、高频单元、低相位噪声微波倍频链、低噪声直流稳压电源等低相位噪声频率源关键部件的设计和研制过程。所研发的低相位噪声频率源的频率范围从5 M Hz至20 C Hz点频输出，在100MHz频率时相噪达—176dBc／Hz(偏移100kHz处)，具有较宽的频率范围和超低相位噪声。经测试该产品完全满足相位噪声测试分析的需要，有着广泛的应用前景和推广价值。

相位噪声；频率源；压控晶振；锁相环

1.述

频率源是所有电子系统的基本参考源，低相位噪声频率源是一种频率准确度、稳定度都很高且相位噪声又非常低的频率源。相位噪声是频率稳定度的频域表征，其反映了振荡器的相位抖动和频率的短期稳定度，是评估振荡器性能的关键指标。振荡器相位噪声的好坏对电子系统的邻道干扰，信息传输质量，雷达的目标分辨率等关键性能都有直接影响。频率稳定度的测试一般采用时域法和频域法，相位噪声是频域频率稳定度定义的表征量，它是指在给定频率偏移处1Hz带宽内的噪声功率与载波信号功率之比。

低相位噪声的测量除了必须有低相噪比对设备外，还必须配备与测试设备相匹配的低相位噪声源。国内相位噪声的测试主要使用HP3048A、E5500A/B、PN9000、E5052A/B、FSUP等相位噪声分析系统，它们的相噪底可达-170dBc/Hz@100kHz，可以满足大多数电子设备的相位噪声的测量，但选配的低相位噪声信号源HP8662A/HP8663A的相位噪声底只有-140dBc/Hz@100kHz，不能满足实际测试需要，要测量更低的相位噪声，必须配备更好的低相噪源。目前市场上还没有与之相匹配的低相位噪声源，研制宽带低相位噪声源可以满足电子产品的研制、生产、测试、量值传递的要求。

2.相位噪声频率源的组成

频率源主要有固定频率源和合成频率源两类。固定频率源通常包括固定振荡器、固定点频锁相源、晶振及晶振倍频源等。固定频率振荡器在微波段通常采用介质振荡器，介质振荡器由于Q值高，尺寸小，易于实现混合集成，可得到噪声较低、频率较稳定的固定微波频率源，但近载波相位噪声往往较大。恒温压控晶振是一种高稳定的频率源，但只能工作于几百兆赫兹范围内，要想得到更稳定的微波频率源，通常用晶振输出信号经倍频来实现，倍频可采用锁相倍频和直接倍频，采用晶振直接倍频方式，可以获得载频近端和远端最优的相噪。随着大规模集成电路的发展，数字分频锁相电路可以大幅降低频率输出的相噪，也获得广泛的应用。

2.l 方案的选择

影响频率源相位噪声的随机噪声主要由五种独立噪声的线性组合，这些独立噪声的谱密度由(1)式确定，要想获得较低的相位噪声频率源，就要在电路中把这五种随机噪声减小到最小。

目前有直接频率合成、锁相频率合成、微波倍频法等三种方法获得宽带频率信号源。直接频率合成法用谐波发生器、倍频器、分频器和混频器等部件对基准频率进行加、减、乘、除的基本运算，再用滤波器滤出所需要的频率。它具有频率转换快、频率分辨率高、相位噪声低等优点，但需要多个的硬件设备，且输出频率中存在很多寄生干扰。锁相频率合成法利用锁相环路的特性，使压控振荡器输出频率与基准频率保持严格的比例关系并得到相同的频率稳定度。这种方法具有电路简单、成本低廉、控制灵活、频谱纯净等优点，因而可以应用在大多数场合，尤其是在通信设备中得到了广泛的应用，其缺点是需要一定的转换时间，且最高工作频率受到限制。微波倍频源与传统电子器件和固态二极管振荡器产生的信号源相比，具有低成本、高可靠性、高稳定度等特点，由于N倍频按照20logN算法使相位噪声恶化，从而可以获得较锁相噪声更低的相位噪声。

测量相位噪声通常并不需要连续变化频率，而只需要测量某些频率点的相位噪声，因此采用一个5MHz压控晶振锁定100MHz超低相噪压控晶振作为参考源，再经低噪声倍频链得到从5MHz到20GHz的点频输出频率。这是一种较好获得宽带低相位噪声频率源的途径。

2.2.统组成

系统由5MHz和100MHz双压控晶振组成的VCXO锁相晶振源、高频单元、低噪声倍频链和低噪声直流电源等组成，如图1所示。

VCXO压控晶振锁相源是系统的核心部分，它是一个相位噪声极低的压控晶振频率源，它的相噪决定其它输出频率点的相位噪。锁相源输出的100MHz频率信号经功分器送低噪声倍频链倍频得到1GHz、5GHz、10GHz、15GHz、20GHz的输出频率。锁相源输出的5MHz频率信号送2倍频得到10MHz频率，经晶体滤波、低噪声放大输出。该系统可输出信号的频率为：5MHz、10MHz、100MHz、1GHz、5GHz、10GHz、15GHz、20GHz等，这些频率点可以满足绝大多数用户测量相位噪声的需要。

3.键部件的研制

3.l VCXO压控晶振锁相源

VCXO压控晶振锁相源的工作原理如图2所示，5MHzVCXO压控晶振输出信号至功分器，功分器的一路供输出，另一路送100MHz倍频器倍频得到100MHz的信号送鉴相器鉴相。100MHzVCXO压控晶振的输出送至另一功分器，该功分器的一路供输出，另一路也送鉴相器鉴相。鉴相器用来比较两路输入信号的相位，其输出电压与两信号的相位差成一定的比例，鉴相器的输出送至积分滤波器，积分滤波器实际上是一个低通滤波器，用来滤掉鉴相器输出的高频成分和噪声。经滤波后的信号送低噪声放大器放大后送100MHz的VCXO的EFC口，控制VCXO频率，使5MHz的VCXO压控晶振锁定100MHz的VCXO晶振。该设计方案使100MHz的VCXO压控晶振经过锁相后的输出相位噪声在偏离10Hz处改善了约20dB，而在偏离100kHz处，相位噪声基本没有改变，这就获得了100MHz压控晶振的近端和远端的相位噪声都很低的相位噪声源，为低噪声倍频链提供了很好的相位噪声源，使各点倍频器输出的近端相位噪声都改善了近20dB。

3.2.频输出单元

高频输出单元由5MHz、100MHz功分器、5MHz、10MHz、100MHz带通晶体滤波器、10MHz倍频器以及高频低噪声放大器等部分组成。功分器的作用是把压控晶振的输出信号分成两路，一路送放大器，经滤波放大后输出，另一路送下一级倍频器。同时它还起隔离作用，使输出信号相互间避免串扰，以减小负载对压控晶振的反射作用。由于晶体滤波器具有低损耗，高抑制度，频带窄，温度稳定性好等优点，利用带通晶体滤波器来改善输出信号的近载频相位噪声。10MHz倍频器原理框图见图3，它要求输出电平大于10dBm，输出阻抗为5011，谐波含量小于-30dB。

3.3.相位噪声微波倍频链

低相位噪声微波倍频链如图4所示，它包含100MHz～1GHz倍频器、1GHz～5GHz倍频器、5GHz～10GHz倍频器、 5GHz～15GHz倍频器、10GHz～20GHz倍频器。这五个倍频器的输入、输出阻抗均为50Ω，输入电平5—10dBm，输入输出都采用SMA接头，倍频附加相位噪声小于2dB。倍频链的频率从高频、超高频段到微波段，它所采用的技术手段和工艺有很大的差异，5MHz到1GHz可采用集中参数元器件，而微波频段要采用分布参数元器件，本文仅对5GHz—10GHz倍频器的研制过程加以介绍。

表1.载波频率点在不同频偏时的相位噪声测量数据 单位：dBc/Hz

本项目中5GHz—10GHz波段微波二倍频器的研制采用MMIC微波集成单片技术设计、加工，其电路方案如图5所示。该微波倍频器包含了微波无源二倍频器和微波放大器等MMIC微波集成单片器件。微波信号由SMA头(F)输入，先经过倍频电路进行二倍频，再经后续的放大电路进行放大，最后由SMA头(F)输出。整个电路分为三级，分别为无源二倍频电路，驱动级放大电路和功率级放大电路。

由于电路的整体电流要求小于300mA，因此，第一级电路采用无偏置且较易实现的无源二倍频。此MMIC为美国HITTITE公司的HMC204集成单片。无源倍频相对于有源倍频来说，其效率低，且存在变频损耗。要想达到最小输出15dBm的指标要求，只有在后级串联接人适当的放大器件。综合考虑到工作频段和输出功率等技术指标，后级电路采用两级放大的电路结构形式。第一级放大电路选用Hittite公司型号为HMC516的低噪声放大单片(即驱动级放大)，第二级MMIC放大选用同一家公司的HMC465功率级放大器。

整个电路制作在软介质基片上，我们采用了Rogers(罗杰斯)公司的RT/duroid5880基片。电路为单面电路，表面需镀金。提供偏置的电源板由稳压块7808、78L05及电压转换块ADP3603组成，其最终实物如图6。

3.4.噪声直流稳压电源

压控晶振、倍频器的直流稳压电源的纹波和噪声对它们的相位噪声影响很大，为了减少电源的影响，直流供电电源的纹波及噪声要小于1mV。因此，对直流稳压电源进行了功率管理设计。在直流电源的设计中采用了多次稳压技术并加电磁屏蔽，这种设计大大降低电源的纹波和噪声，使电源的纹波和噪声对压控晶振倍频电路引人的相噪可以忽略不计，其原理框图如图7所示。交流220V经进线滤波器滤波后再送交流变压器变压，得到3组17V交流电压，经桥式整流，滤波，两次稳压，输出直流12V稳压电源。

4.相位噪声源的测量结果

所研制的宽带超低相位噪声源的频率范围从5MHz到20GHz，如采用HP3048A、E5500A、pN9000等相位噪声测试系统分析，由于没有更低的相位噪声源而无法进行。现采用安捷伦公司的E5052B信号源分析仪进行测试，该分析仪的可测相噪底与所研制的低相噪源技术指标相当，10MHz输出信号在频偏10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz处测量得到的相位噪声如图8所示，其它测量数据如附表，由表1可知，测量数据的不一致性基本没有超过E5052B的测量不确定度。

5.束语

低相位噪声频率源历经一年的研制，经技术指标测试以及重复性、稳定性的考核，完全符合相位噪声测试的需要，可广泛应用于各类军用通信设备、雷达、广播、电视、卫星通信、电子仪器等设备的相位噪声测试分析，有着广泛的应用前景和市场推广价值。

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Research of Low Phase Noise Frequency Source Ranging from 5 MHz ～ 20 GHz

Low phase noise frequency source is a kind of frequency source with high frequency accu-racy,high stability and low phase noise. The design theory of low phase noise frequencysource and its main components is described detailedly in this paper. This system consists of two VCXO phase-locked crystal sources, power splitters, low noise amplifiers, band-pass crystal filters and low noise DC power etc.A set of low phase noise frequency source has been developed and its frequency range is from 5 MHz to 20 GHz dot frequency.When the output signal frequency is 100 MHz, the harmonic component is -176dBc/Hz (offset 100kHz). The source has pretty wide frequency range and extra low phase noise. After test, the product proves to meet fully the need of phase noise analysis and has a promising application future and promotion value.

phase noise；frequency source；voltage control crystal oscillatory (VCXO)；phase-locked loop(PLL)

李兆荣，南京电子计量有限公司高级工程师