刘宾容
中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036
摘 要：微波本振源在微波转发设备中是一个关键部件，在现代转发设备中采用大规模单片锁相式频率合成作为本振源，其输出谱线相位噪声直接影响到微波转发设备的输出谱线质量。文中对微波本振源相位噪声进行了描述及对它的几种相位噪声特点进行了分析，并得出微波本振源环路总相位噪声功率谱密度表达式以及锁相环的环路带宽选择原则。
关键词：微波本振源；相位噪声；单片集成锁相环；分析
一、 引言
微波本振源为微波转发设备提供本振信号和转发信号，是该设备的核心部件之一。该设备采用大规模单片锁相式频率合成作为本振源取代前一代设备中的直接倍频链本振源，使其可靠性、稳定性、生产性水平大大提高，而且便于模块化、小型化。大规模单片锁相式频率合成本振源输出信号质量及相位噪声越来越受到关注，因此本文将对本振源相位噪声对微波转发设备性能影响及本振源的谱线及相位噪声特性进行分析，以取得最佳设计方法。
二、本振源相位噪声对微波转发设备的影响
微波转发设备频率流程方框图见图1。
从图1可知接收信道信号通过下变频器之后，本振源的相位噪声会叠加到信号上。因此，变频器输出的信号载噪比将小于输入信号载噪比。
如果用VR/N表示变频器的输入信号的载噪比，VIF/N表示变频器的输出信号的载噪比，则本振源的载噪比：
那么，信号恶化量的载噪比
从上式可知，如果微波本振源的载噪比太低，将会干扰微波转发设备载波跟踪环或载波解调环的锁定以及转发谱线的质量。
三、本振源噪声的描述
理想情况下，一个微波本振源的输出信号在时域中为一根单一谱线。而实际情况下，由于噪声和杂散信号对振荡器寄生调幅、调频或调相的作用，使波形发生畸变。在时域上表现为输出信号的频率随时间作随机变化，或输出信号的相位随时间作随机变化。在频谱仪上看到的输出频谱不是一根谱线，而是在主谱线两边出现了一些附加的频谱，如图2，这些离散的谱线为寄生调制谱线和谐波干扰，谱线的连续干扰为相位噪声。
相位噪声常以相噪谱表示，由于相位噪声是对称分布在主信号两边，因此用单边带（SSB）相噪谱密度（￡（fm））来表示，单位是dBc/Hz，它表示在偏移频率fm处，1Hz带宽内的相位噪声功率与载波信号功率之比，一般可简称为单边带相噪谱。
图2中：
对于正弦频率调制的信号，其瞬时频率为
式中Δfp为最大频偏；fm为调制频率。
瞬时相位为
式中Δfp/fm为调制指数，或最大相位偏移。于是，可得到相位调制信号为
当相位起伏φ(t)<<1rad时，
从上式可以看出，相位调制和载波是正交的，而且两边带信号是反相的，一边带信号幅度与载波幅度之比为
用对数表示：
在(t)≤1rad时，它与相位抖动谱密度（SΔφ(fm)）的关系：
四、各种微波本振源相位噪声比较
图1中N1、N2是倍频电路，可使用直接式倍频本振源和微波锁相倍频本振源。直接式倍频本振源主要利用晶振、混频、倍频来完成对频率的组合，它的相位噪声主要决定于晶体振荡器，其优点是具有低的相位噪声。缺点是同时存在的频率多、各级之间激励功率大、多次变频产生的组合干扰多、相位噪声受调试状态的影响大、生产性差，而体积大，功耗大，造价高，因而其应用受到限制。
微波锁相倍频本振源由晶体振荡器、压控振荡器、倍频器、鉴相器、环路滤波器等组成，它的相位噪声主要是晶体振荡器引入噪声、压控振荡器自身的输出噪声和倍频器产生的噪声等3部分组成。锁相环倍频源将三者融合，由锁相环路综合考虑作用取得最佳噪声特性，但数字锁相环（含可变数字分频器）的噪声基底比模拟锁相环的噪声基底差。目前单片数字锁相式频率合成器，如美国Qualcomm公司的Q3036、Q3236、PE3236等，其中Q3236频率达2 GHz，相位噪声基底达-150 dBc/Hz,无鉴相死区，功耗0.5 W，外接VCO、滤波器即可直接构成L波段频率源，再外接一高速分频器可构成C波段频率源。图3由单片数字锁相式频率合成器组成的某设备微波锁相倍频本振源电路。
从图3可看出它是2个并行的锁相倍频锁相环本振源主要是由环路滤波器、VCO连接于Q3236（或PE3236）上设计而成的。
不管用哪种方法，主要影响相位噪声大小的是参考晶振源和压控振荡器的相位噪声,其次是组成倍频电路的倍频器、放大器、分频器、混频器、鉴相器等基本电路，它们都会不同程度地引入噪声到微波本振倍频源中。
五、振荡器的相位噪声
振荡器的相位噪声主要是由以下两方面组成：
(1)由闪烁噪声调频和调相产生的相位噪声；
(2)由散弹噪声和热噪声调频和调相产生的相位噪声。
其数学表达式为
式中α-1、α0分别为振荡器件的闪烁噪声和白噪声常数，fm为偏离载频的频率。
α-1与α0平均值分别为α-1≈10-11，α0≈10-15，此值在5 MHz～100 GHz的整个范围内，基本上与振荡器的类型无关。
在知道振荡器的中心频率f0及振荡回路的Q值，按照上式就可以作出Lnv(fm)与fm的关系曲线。
可见振荡器的噪声主要决定于谐振回路Q值。晶体振荡器谐振回路具有高的Q值，所以其近端相噪很好。VCO振荡器工作频带宽，Q值低，工作频率越宽，Q值越低。此外，VCO谐振回路存在变容二极管，它与振荡器一样存在噪声，因此其近端相噪较差，比没有电压控制电路的振荡器高出20～40 dB。此外还与振荡器的压控灵敏度、谐振电路噪声及振荡器件本身的噪声有关。
六、微波单片锁相环倍频源的低噪声设计
在微波单片锁相倍频本振源中，噪声的来源主要是：（1）作用在参考分频器上的等效相位噪声θni(t)；（2）作用在鉴相器输入端的等效相位噪声θP(t),它包括鉴相器、可变分频器和参考分频器的触发噪声以及环路滤波器各种有源无源器件的噪声，此类噪声称为的底噪声；（3）VCO的内部相位噪声θnv(t)，输出相位噪声为
式中，H（s）为锁相环路的闭环传递函数具有低通特性，因此这类噪声通过锁相环路就象通过低通滤波器传递给输出信号,即低通型相位噪声的近端由参考源的相位噪声经倍频因子(N/M1)2作用而成，低通型相位噪声的远端由环路底噪声经倍频N2作用而成，在环路带宽内呈现白噪声特性，(H(s)-1)是锁相环路误差转递函数，具有高通特性，而压控振荡器固有相位噪声的功率谱主要集中在低频部分，所以经过锁相环路带内的低频分量，受到很大衰减后传递给输出信号，而它在锁相环路带外的高频分量几乎不衰减，全部传递给输出信号。
因此选取高通相位噪声（压控振荡器的噪声）和低通型相位噪声（环路底噪声和参考源倍频噪声）3条频谱密度曲线交点对应的偏移频率为锁相环路的最佳带宽。这样输入信号经过低通过滤之后，在F>fn高频段内的相位噪声谱已等于或低于压控振荡器噪声，压控振荡器在经过高通过滤后，在F
不同噪声源情况下，最佳fn的选择可能是不同的，但在一般情况下，选择fn在三噪声源谱密度的交叉点频率附近总是比较接近于最佳状态的。要降低微波本振源的噪声，一是设计好VCO振荡器，在保证工作带宽的同时尽量提高回路Q值。二是降低分频比，提高鉴相频率及参考源晶振频率。三是选择最佳环路带宽。但在实际工作中还要考虑各部分电路的电源供电情况，电源的噪声、纹波都会造成本振源的噪声恶化。
七、结论
以上微波本振源的噪声分析，希望能为研制和调试微波转发设备提供一些帮助，为控制微波本振源噪声指标提供一点基本的途径。
参考文献
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摘自《电讯技术》
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