吳蓉蓉 張海福

1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081；

2 .西安電子科技大學(xué) 陜西 西安 710071

引言

在無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，參考源是系統(tǒng)內(nèi)必不可少的一個(gè)元素。在軍事導(dǎo)航、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、時(shí)間與頻率計(jì)量等眾多領(lǐng)域，對(duì)于參考源的相位噪聲及頻率穩(wěn)定度的要求越來(lái)越嚴(yán)謹(jǐn)。當(dāng)前階段，石英晶體振蕩器是使用最廣泛的一種頻標(biāo)單元[1-3]。它是利用石英晶體的壓電特性制成的諧振元件，與半導(dǎo)體器件，阻容元件一起，構(gòu)成頻率穩(wěn)定度極高，相位噪聲極低的振蕩器。但是，在目前的應(yīng)用中，對(duì)石英晶體振蕩器的性能進(jìn)行最大化利用方面出現(xiàn)了一些瑕疵[4-5]。本文針對(duì)一款低噪恒溫晶振的多領(lǐng)域應(yīng)用，采用小型化設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)了一種小尺寸、多功能、多通道參考源模塊。下面分別討論小型化參考源的原理及相位噪聲、頻標(biāo)輸入、輸出端口電路處理對(duì)參考源相位噪聲的影響。

1 參考源設(shè)計(jì)

1.1 原理及指標(biāo)分析

多功能便攜式參考源結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體的設(shè)計(jì)思路順次包括三部分：頻標(biāo)輸入、頻標(biāo)多功能處理及后端放大。目前輸入頻標(biāo)使用最廣泛的為10MHz、100MHz兩種形式?；谶@兩種外頻標(biāo)形式，頻標(biāo)輸入端設(shè)計(jì)了分路、濾波、檢波、放大電路。

圖1 參考源模塊原理框圖

其中，當(dāng)外頻標(biāo)10MHz時(shí)，通過(guò)鎖相環(huán)方式處理外頻標(biāo)，產(chǎn)生100MHz參考源。為了使得鎖相環(huán)產(chǎn)生的100MHz參考源相位噪聲，與晶振直接產(chǎn)生的100MHz參考源近端相位噪聲達(dá)到無(wú)差別，鎖相環(huán)中低通濾波器帶寬選型必須小于3Hz。圖2為此鎖相環(huán)相位噪聲的仿真結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)，不會(huì)改變參考源環(huán)帶外的低相位噪聲。理論設(shè)計(jì)相位噪聲指標(biāo)為：-170dBc/Hz@10KHz，-175dBc/Hz@100KHz。

圖2 鎖相環(huán)低通濾波器電路

1.2 頻標(biāo)輸入端口電路處理對(duì)參考源相位噪聲的影響

頻標(biāo)輸入端數(shù)字檢波電路，對(duì)參考源相噪基本無(wú)影響。在外頻標(biāo)的設(shè)計(jì)上采用全自動(dòng)化切換。

比較了用開(kāi)關(guān)切換電路，和分路濾波電路這兩種形式對(duì)參考源輸出相位噪聲的影響。應(yīng)用開(kāi)關(guān)切換電路對(duì)近端相位噪聲影響較大，尤其在10kHz上表現(xiàn)出7dBc。開(kāi)關(guān)切換對(duì)低噪?yún)⒖荚聪辔辉肼暤挠绊懢薮螅栽俳酉聛?lái)的方案中用到開(kāi)關(guān)切換電路時(shí)，要評(píng)估相位噪聲指標(biāo)。為什么都是無(wú)源切換電路，怎么會(huì)產(chǎn)生如此大的差別呢？

一個(gè)實(shí)際存在的信號(hào)，表現(xiàn)為噪聲邊帶連續(xù)的分布在載波頻率的上下兩邊，頻域表示的相位噪聲可以看作是無(wú)限數(shù)模的相位調(diào)制邊帶[6-7]，每個(gè)相位調(diào)制邊帶又是由一個(gè)低頻調(diào)制信號(hào)而產(chǎn)生的。電阻、電容、二極管和晶體管都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。低于5KHz的各頻率上，1/F噪聲起主要作用；從5KHz開(kāi)始直到有源器件的增益開(kāi)始下降的高頻頻段內(nèi)，熱噪聲起主要作用。HMC194MS8開(kāi)關(guān)在通、斷狀態(tài)輸出信號(hào)的功率相差近100dB,但是有一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間為24ns，在應(yīng)用時(shí)由于開(kāi)關(guān)頻率的影響導(dǎo)致相位噪聲的惡化。

1.3 頻標(biāo)輸出端口電路的處理對(duì)參考源相位噪聲的影響

頻標(biāo)后端電路處理方式通常采用最傳統(tǒng)的放大、分路、放大、分路形式，所以放大器的選擇對(duì)相位噪聲造成了一定程度的惡化。所以，采用低噪聲放大器是比較好的選擇。

2 采樣時(shí)鐘及自校源

采樣時(shí)鐘和自校源的設(shè)計(jì)應(yīng)用了HITTITE公司的集成芯片HMC830LP6GE、HMC833LP6GE、LMX2594、LMX2595，這4種芯片集成了鑒相器和VCO，內(nèi)部設(shè)計(jì)單片機(jī)控制時(shí)鐘輸出頻率。頻率范圍為10MHz～19GHz。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受小型化的約制，改善支路間耦合特性可以采用改變邊界條件，使用吸收材料，增大路間隔離，多層設(shè)計(jì)等思路。該模塊尺寸為50mm×50mm×15mm，比傳統(tǒng)簡(jiǎn)單雙面印制板尺寸縮小了3倍。印制板正面為模型前端電路，背面為后端處理電路，中間為電源控制層及接地層。對(duì)外接口采用SMP接插件?？刂啤⑸漕l、電源三個(gè)回路之間經(jīng)過(guò)細(xì)致的濾波和屏蔽處理，消除了互相干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

多功能參考源小模塊的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。由于小尺寸的約制，對(duì)頻標(biāo)相位噪聲的優(yōu)化水平已經(jīng)達(dá)到極限。但是已具備可集成性能，可集成于分系統(tǒng)內(nèi)部，或者嵌入式整部件中，為本振及分系統(tǒng)提供參考源。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于頻標(biāo)前端的檢測(cè)、放大、幅度調(diào)制、內(nèi)外切換及鎖相功能都是獨(dú)立的，都可以根據(jù)外界需求來(lái)自動(dòng)控制打開(kāi)或者關(guān)閉。