低相位噪声压控振荡器的研究论文

振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海及医学等领域扮演重要的角色，具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦电压:在热加工、热处理、超声波加工和某些设备中，它产生大功率的高频电能对负载加热;某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制;电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(CO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，CO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。 对振荡器的研究未曾停止过。从早期的真空管时代当后期的晶体管时代，无论是理论上还是电路结构和性能上，无论是体积上还是成本上无疑都取得了飞跃性的进展，但在很长的一段时期内都是处在用分离元件组装而成的阶段，其性能较差，成本相对较高，体积较大和难以大批量生产。随着通信领域的不断向前推进，终端产品越来越要求轻、薄、短、小，越来越要求低成本、高性能、大批量生产，这对于先前的分离元件组合模式将不再胜任，并提出新的要求和挑战。集成电路各项技术的发展迎合了这些要求，特别是主流CMOS工艺提供以上要求的解决方案，单片集成振荡器的研制取得了极大的进步。 然而，由于工艺条件的限制，RF电路的设计多采用GaAs, Bipolar, BiCMOS工艺实现，难以和现在主流的标准CMOS工艺集成。因此，优性能的标准的CMOS CO设计成为近年来RF电路设计的热门课题。 近年来，随着通信电子领域的迅速发展，对电子设备的要求越来越高，尤其是对像振荡器等这种基础部件的要求更是如此。但多年来我国在这方面的研究投入无论在军用还是民用上均不够重视，仅限于在引进和改进状态，还没有达到质的跨越，没有自主的知识产权(IP)，也之所以在电子通信类滞后发达国家的一个重要原因。而且我国多数仍然利用传统的双极工艺，致使产品在体积上、重量上、成本上都较大，各种参数性能不够优越，稳定性差、难以和现代主流CMOS工艺集成等等都是我国相关领域发展的瓶颈。 我国在电子通信领域场潜力非常大，自主研究高性能、高质量、低成本的压控振荡器场前景广阔、意义巨大。 CO的主要性能指标 CO的性能指[4]标主要包括:频率调谐范围，输出功率，(及短期)频率稳定度，相位噪声，频谱纯度，电调速度，推频系数，频率牵引等。 频率调谐范围是CO的主要指标之一，与谐振器及电路的拓扑结构有关。通常，调谐范围越大，谐振器的值越小，谐振器的值与振荡器的相位噪声有关，值越小，相位噪声性能越差。 振荡器的频率稳定度包括稳定度和短期稳定度，它们各自又分别包括幅度稳定度和相位稳定度。相位稳定度和短期幅度稳定度在振荡器中通常不考虑;幅度稳定度主要受环境温度影响，短期相位稳定度主要指相位噪声。在各种高性能、宽动态范围的频率变换中，相位噪声是一个主要限制因素。在数字通信系统中，载波的相位噪声还要影响载波跟踪精度。 其它的指标中，振荡器的频谱纯度表示了输出中对谐波和杂波的抑制能力；推频系数表示了由于电源电压变化而引起的振荡频率的变化；频率牵引则表示了负载的变化对振荡频率的影响；电调速度表示了振荡频率随调谐电压变化快慢的能力。 在压控振荡器的各项指标中，频率调谐范围和输出功率是衡量振荡器的初级指标，其余各项指标依据具体应用背景不向而有所侧重。例如，在作为频率合成器的一部分时，对CO的要求，可概括为一下几方面:应满足较高的相位噪声要求；要有极快的调谐速度，频温特性和频漂性能要好；功率平坦度好；电磁兼容性好。 国内外现状 目前，国内外许多厂家都已生产出针对不同应用的CO。表1-1分别是具有代表性的国内十三所和Agilent生产的部分压控振荡器产品的部分指标： 表1－1 型 频率范围（GHz） 调频电压（） 工作电压/电流（/mA） 输出功率（dBm） 相噪（dBc/Hz） HE 0~15 12/30 +12 -90@10KHz HE 0~15 12/30 +10 -87@10KHz TO- 2~24 15/50 +10 -95@50KHz TO- 2~30 15/50 +10 -95@50KHz TO- 8~24 15/50 +10 -@50KHz 上述产品中，封装形式均为TO-8封装。对于封装内的电路中一般使用的是晶体管管芯和变容二极管管芯，这样可减少管脚分布电感、电容的影响，减少对分布参数的考虑。但是，此类封装需专门设备，工艺复杂，进入门槛高，产品价格较高。频率较高时，这些参数对电路性能的影响非常显著。需要在设计时仔细考虑，选择合适的电路形式，尽量降低电路对器件参数的敏感度。 另外，自前还用一种称为YIG(钇铁右榴石)的铁氧体器件作为谐振器的压控振荡器，谐振频率用外磁场调谐，调谐带宽可以很宽，因为YIG谐振器可以有很高的值，YIG振荡器的相位噪声性能很好。但由于成本较高，且较难设计，所需电流大，调谐速度较变容二极管调谐的CO慢。本设计只设计了采用变容二极管调谐的压控振荡器。实在不行换一个 或者在硬之城上面找找这个型号的资料

随着ADS-B航空器运行监视技术的快速发展，ADS-B接收系统国产化的需求也在逐渐的提高。本文主要围绕ADS-B接收组件射频前端接收技术进行研究，提出射频接收组件的总体设计方案和关键技术的实现方法，并与信号处理单元和显控单元进行联合调试。给出了前端接收组件的实验室测试结果和测试方案以及联调数据。论文关键词：ADS-B,灵敏度,检波器本文从自动相关监视系统（ADS-B）的工作原理出发，设计了射频接收组件的技术指标和系统架构，并对射频接收组件的设计中的关键技术进行了分析，搭载测试系统对射频接收组件进行闭环测试并与数字处理单元和显示控制单元进行实测验证系统的性能。1ADS-B射频接收组件架构设计ADS-B射频接收组件应用于ADS-B天线接收到的（-90dBm，-10dBm）信号强度的1090MHz的射频信号，通过限幅、滤波、混频、中频放大、检波等过程生成数字信号处理单元中A/D采样模块能够识别和处理的检波信号。根据ADS-B接收系统实际工作的环境，分析出射频组件的具体性能指标，如表1所示。2ADS-B射频组件关键技术研究本振单元设计锁相环芯片频率合成技术目前有三种主要方法：一是，由混频器、分频器、倍频器、滤波器分离元器件构成。二是，直接数字频率合成器（DDS），即通过查表的方式将对应点数通过AD转换输出。三是，锁相环路（PLL）方法产生。三种方法中锁相环路的方法在信号输出稳定度和噪声系数上有较大优势，所以采用锁相环路的方法实现本振的输出。一个典型的PLL系统，由鉴相器（PD），压控振荡器（VCO），低通滤波器（LPF）三个基本电路构成。PLL电路在一个反馈电路的作用下，压控振荡器跟踪一个相位稳定的基准参考信号源，直到两个信号的相位信息一致，压控振荡器输出一个稳定的频率。ADS-B射频模块主要将接收到的1090MHz的射频信号进行下变频，输出110MHz的中频信号，本振单元则输出1200MHz的本振信号与输入信号进行混频。随着集成电路技术的快速发展，锁相环单元可以将分频器、相位检测器、电荷泵、压控振荡器集成在一个芯片上，不仅减小了射频组件的体积，在可测试性设计上也有较大的改进。在这里我们采用ADI公司的一款成熟锁相环芯片ADF4350频率合成器主要用于提供本地振荡信号和用于无线信道下变频使用。包含一个低相位噪声的相位检测PFD），一个高精度的电荷泵（CP），可编程的输入参考分频器，可编程的A/B计数器，以及一双模前置分频器用来实现整数和小数分频。通过外置低通滤波器使电荷泵电流转化为压控电压用来控制内部一个低相位噪声的VCO，在环路锁定的前提下输出稳定的电压信号。配置芯片采用一款8位的C8051单片机，8个I/O端口和内部可编程高精度振荡器，I/O端口模拟ADF4351配置端口的时序对PLL芯片进行配置。CLK为配置时钟，DATA为输入数据，LE为使能管脚。本振需要输出的频点，参考输入时钟为10MHz，D=2，R=1，FRAC=0，可以得出INT=40，所以DATA数据线需要输入的二进制代码为101000。检波器单元设计普通的线性检波器的动态范围达到60dB已经比较困难，ADS-B接收机的动态范围在70dB左右，而对数检波的动态范围已经达到90dB，满足设计要求。

英语翻译：很高兴收到你写的信。I’m very glad to receive your letter.