PDRO的研究进展

袁慧超

（中国电子科技集团公司第13研究所，河北石家庄 050051）

0 引言

PDRO（取样锁相介质振荡器）具有极低相噪、低杂散、低功耗、重量轻、体积小、可靠性高等突出优点，与直接倍频方案相比，具有更好的远端相噪指标。在航天航空、微波测量等尖端科技设备中要求超低相噪的领域具有广阔的应用前景[1，2]。

微波锁相源原理在数学理论方面，早在上世纪30年代无线电技术发展的初期就已经出现。1930年建立了同步控制理论的基础。1932年贝塞尔什提出了同步检波理论。在上世纪40年代，电视接收机的同步扫描电路中，锁相技术得到广泛应用。到上世纪50年代，随着空间技术的发展，有杰费和里希廷利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，并首次发表了包含噪声效应的锁相环路线性理论分析，解决了锁相环路最佳化设计的问题。PDRO理论及工程研究曾在上世纪七八十年代出现热潮。但由于在宽温范围内环路的稳定性和捕获设计技术难度较大，造成成品率不高，因而该技术的发展曾一度处于停滞状态。进入新世纪后美国在PDRO领域已解决了取样锁相中宽温范围内环路的稳定性和捕获的技术难题，研制了高性能的PDRO产品，并实现了系列化和大规模生产，在以美国为代表的西方主要国家中PDRO已广泛应用于各类高性能电子设备中。PDRO现已成为微波高稳定频率合成技术中最具生命力的技术之一。PDRO实物如图1[2，3]。

图1 PDRO实物

1 PDRO的工作原理

PDRO的工作原理如图2所示，微波取样锁相介质振荡源是采用高稳参考信号如晶振产生一同频率的尖脉冲（梳状谱）信号，与微波信号进行取样比较输出误差信号，当振荡器输出频率与参考信号的N次谐波频率相同时，经环路滤波器滤波后的误差信号为一稳定的直流电压，此时介质VCO频率被稳定在Nf i。由于DRVCO的带宽很窄（一般仅为工作频率的0.2%～1.0%），在其压控范围内，只有一个频点是参考源频率的整数倍，所以不会出现错锁的现象，当压控电压控制DRVCO的频率达到这一频点时，环路即锁定，这时PDRO的输出频率稳定在设计频率[1]。

图2 工作原理

由于取样锁相电路采用了取样保持鉴相器，在取样脉冲尖峰到来时，对VCO输出的高频信号进行取样保持，得到的阶梯误差信号经环路滤波器滤除高频分量，输出的直流信号去控制VCO的输出频率，使VCO的输出频率直接锁定在参考频率的高阶谐波的频率上，从而免去了数字分频器噪声基底受限的影响，它的相位噪声指标接近于理论计算值。取样锁相频率合成器结合了数字鉴相和高次倍频链方式的共同特点，其优点是电路结构简单、相位噪声低、体积小、重量轻、功耗低。取样锁相器的相位噪声在理论恶化20LgN的基础上几乎无附加恶化。在相位噪声指标上微波取样锁相频率合成较直接倍频合成和数字锁相有更优越的噪声性能，相位噪声更低。介质谐振器品质因数Q值高、体积小，用介质谐振器稳频的振荡器具有相位噪声低、成本低的优点。因介质谐振器频带窄，故其适用于点频工作状态，所以一般情况下将其用于高稳定度微波本振。

介质振荡器中的相位噪声即提高相位噪声的方法有，[30]选择高Q值得的谐振回路。除了采用介质振荡器外，作为振荡器中放大器的的放大管也要选择低噪声的GaAs FET管。

2 PDRO的现状

PDRO主要作为各种电子设备的高性能本振，其性能的优劣直接决定了整个系统的性能，素有“电子系统的心脏”之称。研制高性能、高可靠性的PDRO对于提高电子系统的性能有重大的现实意义。

目前美国CTI公司在PDRO的研发的产品分为外部参考、内部参考和双锁相环外部参考3个系列，工作频率覆盖3～45 GHz：参考信号频率1～100 MHz：

工作温度范围可达-55～+85℃。其产品的主要参数见表1；相位噪声指标见表2。

表1 CTI公司PDRO主要参数

表2 CTI公司PDRO相位噪声指标

3 结语

PDRO因其特有的技术优势在未来微波系统中将有更广泛的应用，小型化、器件化的PDRO产品是未来发展的趋势，基于多年的微波半导体材料、器件的科研基础，正在展开此类产品的探索研究，目前已研制成功部分锁相源内部功能单元芯片，但距离成熟化的高集成低相噪锁相源还存在较大差距，需要进一步的技术攻关与摸索。在PDRO的研究方向有以下5个方面：

（1）器件化：采用SOC技术，将锁相微波电路结合微波压控振荡器整合在一块或多块芯片上，通过高可靠的金属封装代替原来的组件级盒体封装模式，体积可缩小至现有产品的1%以下，工作温度可以拓展到-65～+125℃，环境适应性更强，批量生产效率高、一致性好。

（2）提高工作频段。随着现有工艺水平的提高和新工艺的应用，可以研发工作频率更高的PDRO。

（3）增强性能。随着材料科学的发展，决定振荡器相位噪声性能的高Q值谐振器材料研制技术不断提高，振荡器的稳定性和相位噪声指标可大幅提升，采用SOC技术的微波芯片可以实现多环符合技术，使整个锁相源的相位噪声可以在现有技术上进一步提高。

（4）扩展应用范围。伴随PDRO产品的模块化、器件化和新标准的建立，新的高性能PDRO可用于更多集成度更高的系统。

（5）扩展性更强。在低相噪锁相源的技术基础上可根据不同需求研制出具备大功率、多点跳频等多种集成化芯片电路。

除上述电子电路方面的技术以外，PDRO还需要在材料、化学等方面的技术研发。

PDRO中使用的介质谐振器是用低损耗、高介电常数的介质材料（通常为圆柱型功能陶瓷材料）谐振器。有如下特性：

①体积小，由于材料的高介电常数，可使介质谐振器的体积小至空腔波导或同轴谐振器的1/10以内，为电路小型化提供了可能。

②Q值高（品质因数），在0.1～30 GHz范围内，Q值可达103～104。

③谐振频率的温度稳定性优异，介质材料的介电常数会随温度变化，从而引起谐振器频率的变化，实际中采用低温度系数的材料和不同材料配比制作的补偿型复合介质，使介质谐振器与谐振腔在不同温度下相互匹配，达到频率稳定性要求。陶瓷谐振材料的研究中既要研究陶瓷材料本身化学物理特性，又要注意制造加工工艺的研究。目前在陶瓷谐振材料制造加工工艺方面存在的主要问题有：材料混合不均匀，造成单个器件内部密度不一致；同一批次内不同个体密度和组分有明显差异；不同批次产品的差异更大。陶瓷谐振物理化学的差异严重影响电学特性，目前生产工艺还会造成陶瓷谐振材料内部产生空洞，严重影响PDOR的可靠性。在PDRO的研制中还需要使用化学粘合剂，化学粘合剂的性能严重制约PDRO的电学性能和长期工作可靠性。

④目前在谐振器基板都采用陶瓷材料，陶瓷材料介电常数高、稳定性好适应各种使用环境。但是也存在散热性差，与金属盒体膨胀系数不一致，焊接、烧结工艺要求高等问题。

取样鉴相技术，PDRO使用的鉴相方式不同于常用的将微波信号经过分频器，分频到低频在和参考信号鉴相。取样鉴相工作原理如图3所示，低频参考信号激励取样脉冲器，产生从复频率与参考频率信号同频的取样窄脉冲。取样脉冲按参考信号频率通过取样鉴相器对VCO的输出微波信号进行取样。取样鉴相器将每次取样得到的电压经过压控信号滤波整流电路滤波和放大后，控制VCO的工作频率，使其与参考信号频率的整数保持一致（fVCO=Nf参考，N为整数，PDRO中作为VCO的介质振荡器调频率范围，在Nf参考上只有一个频点，因此不会出现错锁频率的情况。）具体工作过程是整个取样鉴相系统稳定工作时，取样脉冲在VCO正弦震荡的过零时刻取样。此时，取样鉴相器应无电压输出，VCO的振荡频率与参考频率为严格的整数倍关系。如果VCO的振荡频率发生偏移，使其正弦振荡的相位发生变化，此时过零时刻提前或者推迟，过零点没有落在取样脉冲内，这时取样鉴相器的输出电压不再为零，而出现正、负增量电压输出。此增量电压经过压控信号滤波整流电路输出到VCO控制端，调节VCO的振荡频率趋向于保持与参考信号频率成严格的整数倍，直到过零点再次落到取样脉从内。取样鉴相技术的优点是，以一个较容易获得的高品质低频参考源代替高品质的高频参考源；或在参考源相同的条件下，避免了分频器对相位噪声的影响[4]。

图3 取样鉴相系统组成

综上，PDRO由于其自身特点，其研究发展涉及电学、材料和化学等多学科，需要多学科共同努力。