一种分频降噪技术研究

张海福 吴蓉蓉

1. 西安电子科技大学 陕西 西安 710071；

2. 中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 50081

引言

在微波频率源中，微波振荡器和分频器是关键部分。受技术、材料、环境等各方面的制约，相位噪声的优化速度较漫长。而对于梳状谱发生器或者可再生分频器的研究相当于是另辟蹊径，打开低噪的另一扇门。

1 分频技术的原理

图1 是再生式分频器原理框图，混频器本振fin、射频fin/2，中频输出fin/2和3fin/2。带通滤波器对fin/2信号导通，放大器对fin/2信号放大，带阻滤波器对3fin/2信号截止。调整移相器可改变环路相位条件；另外还有功分器一路输出一路反馈。当环路增益和相位满足条件时，分频器输出fin/2信号[1]。

图1 再生式分频器原理框图

再生式分频器相位噪声理论公式为[2]：

Lout(f)是分频后输出信号的相位噪声，等式右侧Lin(f)是分频后输入信号的相位噪声，N为分频系数；Ldivder(f)是分频器相位噪声，Lcomp(f)是分频器中单元部件的相位噪声，Gm是环路中相位条件。

由式（1）可知，经二分频(即N=2)后，理想情况下(满足Gm=-1条件)，相位噪声改善6dB。若不满足Gm=-1条件，则相位噪声改善小于6dB。分频器的相位噪声Ldivder(f)直接影响输出信号的相位噪声Lout(f)。分频器中单元部件的相噪，具体的可用式（2）表示[2]：

式中上标为1/f 的子式表示放大器和混频器的1/f 噪声，为近载波相位噪声；上标为thermal的子式表示放大器和混频器的热噪声，为远载波噪声性能。由上式可知，再生式分频环路中决定相位噪声性能的主要是混频器和放大器的相位噪声及环路的相位条件。

再生式分频环路包括无源和有源两大类电路。无源电路包括滤波器、功分器。滤波器对fin/2信号导通，对fin信号要有足够的衰减。另外，混频器的IF端口有3fin/2信号输出，所以设计中采用滤波器抑制分频器的3fin/2信号。为了保证一定的抑制度，在放大器和功分器之间插入中心频率为3fin/2的带阻滤波器。功分器采用3dB功分设计。有源电路中，主要是放大器和混频器的1/f 噪声，通常放大器的1/f 噪声较大。要选择有低1/f噪声性能的放大器。

远载波噪声性能主要是由放大器热噪声决定，公式表示为（3）：

从上面分析得出，放大器的噪声性能是影响分频器噪声性能优劣的关键因素。

2 分频方案

输入信号和环路反馈的输出信号共同作为混频器的输入。在稳定状态下，混频器的输出包括了2种频率成分，Fn/2和3Fn/2通过环路的滤波器去除了信号3Fn/2输出信号的频率便是输入信号频率的一半，其相位噪声20Log(2)。该系统中决定相位噪声性能的主要原因是：①混频器和放大器的相位噪声和环路的相位移为2Kπ的条件[3]；②分频环内各个混频器的幅度条件。只有当整个分频环路满足幅度的需求和相位需要，环路才能正常的稳定的工作，再生分频器才能够稳定的输出分频信号。

其中移相器的关键作用就在此。但是移相器是有源器件，而且由于控制电平的影响，会引入低频噪声，影响最终系统的相位噪声。

在这个系统中本振的输入功率要求较高，对二次谐波抑制也有一定要求。避免本振频率的次谐波对分频输出频率造成干扰。三平衡混频器的优势：①低变频损耗和宽频带；②本振驱动电平范围宽（+12dBm～+25dBm）；③杂散优良，图2是三种类型的混频器杂散对比图。图2所示，三平衡混频器在这方面的优势比较明显；④相位噪声优良[4]。

图2 多种系列混频器的杂散

3 低噪声放大器

图3 是可再生分频环路装置。它由两级放大器、混频器、移相器、功分器组成。

图3 可再生分频环路装置

相位噪声主要由放大器的低频噪声和高频噪声产生，低频噪声由于器件的非线性被搬迁到载频附近，认为是乘性噪声，它决定了近载波的相位噪声性能；高频噪声是白噪声，属于加性噪声，它被加到载波上去，由它决定了偏离载波较远处的噪声基底。级联放大器的高频噪声有链路的第一级决定，级联放大器链路的低频噪声为各级之和。放大器的线性度是关键，这也是选择SIGE HBT放大器的主要原因。为了保证环路中增益，环路中采用两级放大器[5]。

4 结束语

分频系统本振输入频率10GHz的相位噪声和分频系统输出频率5GHz的相位噪声对比发现，相位噪声明显降低6dBc。实验结果表明，这种电路模式的相位噪声指标与理论值相符合，杂散指标也比较优良。

但是从图3可以看出，结构庞大，而且采用电缆连接的方式使得整个系统比较松散。下一步工作将对这些分立元单元进行集成，做到更小尺寸，更宽工作带宽。