便攜式場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀參考環(huán)的低噪聲設(shè)計(jì)

0 引 言
    便攜式場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀對(duì)第一本振相位噪聲要求較高，其參考頻率由參考環(huán)提供，因此對(duì)參考環(huán)的相位噪聲要求也很高。參考環(huán)采用∑－△調(diào)制技術(shù)降低相位噪聲，具體原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)方案
    便攜式場(chǎng)強(qiáng)儀第一本振的主要性能指標(biāo)：
    頻率范圍：4031．25～7031．25MHz；單邊帶相噪：≤－100dBc／Hz@10kHz
    由此計(jì)算出參考頻率的指標(biāo)：
    頻率范圍：31．25～62．5MHz；單邊帶相噪：≤－118dBc／Hz@10kHz
    第一本振方案框圖如圖1所示。
    圖1中，左框內(nèi)為本振環(huán)；右框內(nèi)為參考環(huán)；其余部分為步進(jìn)環(huán)。

2 參考環(huán)環(huán)路濾波器帶寬設(shè)計(jì)
    鎖相環(huán)環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲主要是由分頻器、鑒相器以及參考信號(hào)的噪聲決定的，而在環(huán)路帶外的相位噪聲則是由VCO的相位噪聲來(lái)決定的。因此選擇帶寬時(shí)要綜合考慮帶寬內(nèi)的相位噪聲和VCO的相位噪聲，以求達(dá)到最佳的噪聲效果。
    下面計(jì)算參考環(huán)的環(huán)路濾波器帶寬：
    參考環(huán)的環(huán)路濾波器采用有源二階積分濾波器。壓控振蕩器歸一化相位噪聲功率譜密度：

   
式中：f0為壓控振蕩器的中心頻率；F為頻偏；Q為回路品質(zhì)因數(shù)。
    晶振的歸一化相位噪聲功率譜密度：

   
    式中：fr為晶體振蕩器的諧振頻率；F為頻偏。
    在忽略鑒相器本身噪聲的條件下，環(huán)路輸出的歸一化總相位噪聲功率頻譜密度為：
   
    二階鎖相環(huán)路系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)在欠阻尼狀態(tài)使用，即0<ξ<1?，F(xiàn)取阻尼系數(shù)ξ=0．5，fr=10MHz，f0=500MHz，Q=500，則：

    由此算出環(huán)路閉環(huán)頻率響應(yīng)的伯德圖如圖2所示。
    將一起畫(huà)到圖2(a)中，可見(jiàn)兩噪聲譜交于F=104Hz附近。綜合考慮，選擇在兩譜線相交頻率處顯然是最有利的，即fn=104Hz。分別過(guò)濾后相位噪聲如圖2(a)虛線所示。由圖可見(jiàn)，晶振噪聲經(jīng)過(guò)低通過(guò)濾以后，在F>fn的高頻段內(nèi)噪聲譜已低于晶振的噪聲。圖2(a)是歸一化的輸出相位噪聲，實(shí)際輸出的相位噪聲應(yīng)乘以fo2，如圖2(b)所示。

    所以參考環(huán)積分濾波帶寬選定為104Hz，這樣才會(huì)使輸出信號(hào)的相位噪聲最低。

3 提高輸出頻率
    實(shí)際電路中通過(guò)提高參考環(huán)輸出頻率至500MHz～1000MHz再16分頻來(lái)獲得參考信號(hào)就可以使本振環(huán)參考頻率的近端相位噪聲得到20×LOG(16)dB即24dB的改善，參考環(huán)輸出頻率的相位噪聲只需達(dá)到-94 dBc／Hz@10kHz就能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，實(shí)際測(cè)試中輸出信號(hào)的單邊帶相位噪聲為-96dBc：／Hz@10kHz，完全滿(mǎn)足指標(biāo)要求。參考環(huán)通過(guò)提高輸出頻率而后分頻的方式提高本振環(huán)的參考信號(hào)的近端相噪，從而提高第一本振近端相噪。
4 試驗(yàn)結(jié)果
    環(huán)路鎖定后，用頻譜分析儀測(cè)試頻率1GHz處的相噪，結(jié)果為-96dBc／Hz@10kHz，滿(mǎn)足第一本振相位噪聲的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文主要介紹了場(chǎng)強(qiáng)儀第一本振參考環(huán)的低噪聲設(shè)計(jì)，現(xiàn)在該儀器已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)。因作者水平所限，文中的錯(cuò)誤在所難免，還請(qǐng)各位多多指正。