机载低相位噪声X波段频率合成器的研究

目前频率合成器的研究虽然已经非常成熟，但是在其实际应用中经常会出现难以解决的问题。合成器设计者们主要关心的是相位噪声。这在多普勒雷达、捷变频雷 达以及各种通信系统中极其重要。在这些应用中，合成器相位噪声可能会限制系统的动态范围和接收灵敏度。在机载合成器设计中关键的步骤包括：选择最优结构使 相位噪声最小，抑制其它信号源带来的杂散，以及提高效率，减小合成器体积。本文将介绍一种频率合成器的设计，其性能如下：

·频率以20MHz为步进，从8.9 GHz变化到9.3GHz。

·100Hz频偏处相位噪声为-80dBc/Hz，10kH到600kHz频偏相位噪声为-97dBc/Hz。

·合成器必须采用100Hz处相位噪声-115dBc/Hz的100MHz参考频率。

·为了达到误差小于1ppm的合成频率，切换时间为20。

·在带宽从10MHz到输出信号二次谐波频率范围内杂散幅度小于-64dBc。

·二次谐波幅度为-48dBc，三次谐波幅度为-55dBc。

·供电电压12V时，输出功率+13dBm，消耗功率2.3W。

·合成器体积250，重量为470克。

压控振荡器（VCO）相位噪声分析：VCO频段选取

合成器包括压控振荡器（VCO）、锁相环（PLL）电路和参考信号源。锁相环IC频带的上限低于所需输出频带，仅仅达到其一半。设计合成器有两种不同方法--用频率为输出频率一半的VCO产生PLL输入信号，然后对其进行倍频得到输出；或用工作于输出频率的VCO产生信号然后分频得到PLL输入信号。VCO的相位噪声性能是选择最佳方法的主要准则。用Leeson等式描述VCO相位噪声为：

其中：

=频率偏移（Hz）

=振荡频率（Hz）

=等效噪声阻抗为R的共振电路负载Q值

=作为放大器元件的有源设备闪烁转角频率（Hz）

F = 有源设备的噪声指数

k=玻尔茨曼常数，（J/K）

T=温度（开氏温标）

=有源设备输入端信号的平均功率

=振荡电压调谐增益（Hz/V）

这一项表示阻抗R的噪声。通常远小于其它噪声而可能被忽略。

于是有：

其中噪声电平数NF表示每一边带的宽带热噪声，Pout为dBm形式的振荡器输出功率，G为dB形式的有源设备增益， 为振荡器-3dBm半频带宽度。

可以对已公布的4.3GHzVCO计算其L（）典型值。该VCO拥有4%的调谐带宽，这一带宽很接近合成器的需求。包含一个串联谐振电路和一个正反馈共射放大器，其中使用了Agilent公司的硅双极性晶体管AT-42086。此晶体管噪声系数F=8.5dB。因为输入端远远没有达到使噪声最小的最佳值，因此噪声系数显著恶化。该VCO的输出功率为10.5dBm，晶体管增益为8dB。因此NF=-167.8dBc/Hz。

串联谐振电路的整体有源阻抗为12.8，容抗为206，负载Q值为16.1，因此。硅双极性晶体管的闪烁转角频率确定为经验数值4kHz。那么对于=100kHz，计算得到VCO相位噪声为-105.5dBc/Hz，而测量出的相位噪声为-104.4dBc/Hz。

9.1GHzVCO的L（）典型值可以根据Leeson等式预测出并与4.55GHzVCO（输出频率的一半）的L（）值进行对比，这两种VCO具有相同的调谐带宽即合成器所要求带宽的4.4%。这里假定两个VCO均采用双极性晶体管，因为它比场效应晶体管的相位噪声低10-15dB。

造成9.1GHzVCO性能恶化的第一个因素是输出频率增加。如果Leeson等式中乘以2，那么在区域内L（）增加6dB。当然，这种恶化在通过倍频4.55GHzVCO后生成合成器输出频率时能够被抵消。

第二个恶化因素是晶体管在面积较小的设备中较高，相反地，更大面积的设备能够在更低频率上得到更大的输出功率。因此，一般来说9.1GHzVCOLeeson等式中的值比4.55GHzVCO低3到6dB。如果两个VCO的晶体管噪声系数为常数，则9.1GHzVCO的噪声水平通常要高出3到6dB。

第三个恶化因素是值下降，这是由于频率翻倍时谐振器容抗变成原来的一半。当然，设计者可以用一个较小容值的变容二极管来保持恒定容抗，但他也可以在更低频率的VCO中使用这个变容二极管。

比如，Microsemi公司的高Q值微波突变变容二极管GC1300有C（0V）=1.2pF，C（4V）=0.8pF。该变容二极管串联一个0.27pF电容后，就能够覆盖合成器带宽的4.4%。谐振器容抗在4.55GHz时为170，而在9.1GHz时为85。如果对于这两种VCO，其串联谐振电路的总的有源阻抗均保持恒定，那么9.1GHz VCO的负载Q值为4.55GHzVCO的一半，并且其相位噪声比4.55GHz VCO高6dB。由于9.1GHzVCO的相位噪声比4.55GHz VCO加上倍频器的还高9到12dB，因此合成器中采用了4.55GHz VCO。

把VCO或集成振荡器子模块作为体组件并向专门厂商购买将会更加实际。对于4.55GHzVCO，Hittite Microwave公司的HMC429LP4集成VCO是最好的选择，因为它具有100kHz频偏、单边带相位噪声-105dBc/H