x波段频率综合器锁相环相位噪声特性分析.pdf

xl一

火控雷达技术I992年第3期(总第82期)

x波段频率综合器锁相环
相位噪声特性分析

整龟塞l、
(机电部206所西安710】00)

【摘要】本文分析1某雷达频综3era锁相环的噪声特性。计算出1锁相环输出相噪的理论
值。并对影响输出相位噪声的主要目素敏1分析最后给出j试验结果。
关键词：
．塑!竺塑堡墨生．锁，独段

1概述

随着电子技术的发展，在现代雷达及电子设备中，频率综合器得到了越来越广泛的应用。
频率综合器按工作方式分类，有直接式、间接式及直接数字式。目前以锁相环为主的间接式
频率合成器应用最广。某雷达频率综台
借渡{昆频嚣
器就是直接在3em频段上锁相合成的。
根据总体对频综的要求，频综采用了混垌
颤、分频式锁相环，其原理方框图1所
示。它是利用一台高稳定]00MHz晶体相加器
翻压敲)
振荡器作为基准源，通过锁相坏去锁定
-f一
一台3em压控振荡器(vco)。输出频率三][
D／A环路
带宽是690MHz。可交分频器的控制码换器滤波器
及压控振荡器的预置电压码分别是四位

及十位二进制码。所以锁相环可以受外中顿
放太器歌上
部计算机控制并能在计算机控制下实
现快速跳频。第二中频混频器的标频f
及鉴相基准频率是由100MHz晶振用
直接频率变换的方法得到的。图l三分锁相环原理方框圉

2锁相环噪声特性分析

为分析锁相环的噪声特性，图2画出图1的相位模型图。图中各量均是拉普拉斯

·本文于1991年6月30日收到

(Lap]ace)变换值。饥是输出信号的相位，q)．是输入信号的相位，Kd是鉴相器的鉴相灵敏度，
F(s)是环路滤波器的传递函数，K是VCO的压控灵敏度，K是鉴相器后电压放大，相加器
的放大倍数。
实际上，闭环系统中所有部件都对传输的信号附加噪声。考虑到各部件的附加噪声，图
l所示的锁相环在存在附加噪声的情况下的相位噪声模型如图3所示。图中，．是输入信号的
相位噪声；q是输出相位噪声；‰是100MHz基准倍频M倍后微波基准源的相位噪声+对理
想倍频器‰比100MHz基准相噪变坏201gMdB；‰：。是中频混器的基准信号的相噪。‰是微
波混频器的附加噪声；q一是中频放大器l的附加噪声，依次类推。各部件附加器噪声是各自
独立的随机变量。锁相环输出相噪的推导参阅资料[I][3]。这里仅给出图i所示三公分微
波频综锁相环输出相位噪声的具体表达式。
当环路锁定时：

—H(s)(也眦+Nl毋+ⅣLⅣ)+H0){[“+

+1一(‰+Ⅳ+)}

+[1+r()]．(】)
其中：

。、删P(s)n荣南I·譬Kv(2)
1+F()·一

是锁相环等效相位噪声传递函数。
(1)式表示出了锁相环各个基准信号的相位噪声及各部件噪声对输出相噪的贡献。
在锁相环的通带内：
I(s)I≈1l1一／P(s)l≈0(3)
把(3)式代入(1)式得；

[]内一(+Ⅳ从+ⅣⅣ瓯)+(r+

+]一(+M。+N㈧}(4)

在镇相环的通带外：
l盯()I≈0l1一HI(s)l≈1(5)
把(5)式代入(1)式得：
[]一～(6)
由以上分析知：基准信号的相噪对锁相环输出相噪呈低通特性，而压控振荡器的相噪对
输出相噪呈高通特性图1所示的锁相坏，在锁相环带宽内t直接输出，m倍乘NN、⋯
倍乘N输出，而且各部件的附加噪声对输出相噪都有不同程度的影响在锁相环带宽外．锁
相环输出相噪就是压控振荡器的相噪。所以要获得好的输出相位噪声性能，就要有低相噪晶
振与低相噪压控振荡器。在设计中应尽量降低倍频次数M，分频次数NN提高鉴相信号的
频率。同时应注意降低各部件噪声。
20

囤2锁相环相位模型囤囤3销相环相位噪声模型圉

(偏离载频)

囤4锁相输出相噪谱

3环路设计

总体对频综相位噪声的要求是：在9．98GHz~10．67GHz的频率范围内；

偏离载频(kHz)11O10030O～40O

相位噪声(dBC／Hz)一80—88-95＼一100

_

设计中选择的倍频与分频次数为：

M=92N=4N=5～10
在方案实现中，实验研究表明以下几个问题比较重要
3．1环路带宽的设计及输出相噪的计算
全面系统分析各部件的噪声影响，估算出系统总的输出噪声，合理分配各部件的指标是
系统设计的基础．也是获得低噪声输出的有效措施。本锁相环中，基准信号相噪及压控振荡
器开环相噪如表1、表2中所示。根据表1、表2及上面的分析，图4画出了锁相环输出相噪
谱曲线。由(4)式及(6)式可知把镇相环带宽设计为：使其位于基准信号相噪谱(图4曲
线3)与VCO相噪谱(图4曲线4)的交点上，锁相环输出相噪最佳。图4中的实线就是理论
计算出的频综最佳相位噪声功率密度谱曲线。完全满足指标要求。这时锁相环带宽设计在
0．5