频率合成技术1章课件.ppt

第二章直接频率合成技术 2.1直接频率合成器的基本原理和组成2.2直接频率合成器的几个主要组成电路2.3直接频率合成器设计时应考虑的问题 第二章直接频率合成技术 直接频率合成技术是最早的频率合成方法，采用此技术制作的频率合成器称为直接频率合成器其优点是频率分辨力高(可达到0.01 Hz)，频率转换时间快(取决于开关的时间)；而其缺点是体积大、重量大、耗电高、可靠性差2.1直接频率合成器的基本原理和组成直接频率合成器的基本原理和组成 第二章直接频率合成技术 这种频率合成器原理简单，易于实现直接频率合成器由标准的参考频率源、滤波器、倍频器、分频器、混频器组成，由一个或多个参考频率合成输出某一系列特定的频率其中，利用混频器来实现频率的加减法，利用倍频器来实现频率的倍乘，利用分频器来实现频率的倍除，利用滤波器来提取所需要的频率信号而抑制不需要频率的信号直接频率合成器的合成方法可分为两类，一类是所谓的非相关合成方法，另一类是所谓的相关合成方法这两种合成方法的主要区别是所使用的参考频率源的数目不同第二章直接频率合成技术 2.1.12.1.1非相关直接频率合成器非相关直接频率合成器由多个晶体参考频率源合成某一系列特定频率的频率合成器称为非相干直接频率合成器。

它的缺点在于制作具有相同频率稳定度和精度的多个晶体参考频率源既复杂又困难，而且成本很高如图2-1所示，它是由n个石英晶体振荡器和混频器以及滤波器所构成的，每一个石英晶体振荡器的输出频率为，这意味着会输出10个频率f09表示从基本频率f0=0开始的10个步进频率合成器总的输出频率为 第二章直接频率合成技术 图 2-1 非相干直接频率合成器结构示意图第二章直接频率合成技术 若要求输出频率为5859 MHz、频率间隔为1 kHz的1000(103)个频点，则n=3而f1、f2、f3的选择需由频率合成器对杂散的要求来确定，我们选择f1=47.0 MHz，f2=6.0 MHz，f3=5.0 MHz为了保证获得1 kHz的频率步进，我们应该选择 ，即f1=0.1 MHz若设置(f0)1=(f0)2=(f0)3=0 MHz，则最小输出频率为第二章直接频率合成技术 若设置(f9)1=(f9)2=(f9)3=0.9 MHz，则最大输出频率为 第二章直接频率合成技术 假若我们需要输出的频率为fout=58.539 MHz，则可以进行如下设置：(f5)1=0.5 MHz,(f3)2=0.3 MHz,(f9)3=0.9 MHz,则第二章直接频率合成技术 2.1.22.1.2相关直接频率合成器相关直接频率合成器若只使用一个标准晶体参考频率源并通过分频、混频、倍频等方法合成某一系列特定频率的频率合成器，则称为相关直接频率合成器。

图2-2所示的直接频率合成器是某一电子设备的参考频率源，它的基准频率为10 MHz高稳定度和高精度的晶体振荡器，通过分频、混频、倍频等方法合成10 MHz、20 MHz、320 MHz、340 MHz等19个特定频率，给其他部分提供参考频率，这些输出频率与高稳定度和高精度的晶体振荡器输出频率是相关的该频率合成器的稳定度和精度与高稳定度和高精度的晶体振荡器的稳定度和精度是一致的，因此这种直接频率合成器广泛应用在各个领域中第二章直接频率合成技术 图2-2相干直接频率合成器第二章直接频率合成技术 2.1.32.1.3直接频率合成器的设计方法直接频率合成器的设计方法设计直接频率合成器的方法有很多种，下面简单介绍几种第二章直接频率合成技术 1.1.混合法混合法混合法的基本模块是倍频器、分频器、混频器、放大器、滤波器以及一个参考频率源图2-2所示的相干直接频率合成器就是混合法的一个范例，为了简洁起见，部分放大器和滤波器图中没有给出输出该频率合成器的19个频率的实现方法可以有很多种，上述的方法不一定是最优的，还可以根据系统要求的指标重新组合，使其更合理、简洁，成本更低，频率合成器的性能更好混合法也可以用模拟电路和数字电路的方法来实现。

采用混合法设计直接频率合成器时，其混频、倍频、分频所产生的杂散，以及频率合成器的相位噪声必须考虑第二章直接频率合成技术 2.2.谐波法谐波法当在整个输出频率范围内，任意两个相邻频率之间的间隔均为一个常数时，谐波法比混合法更好当输出频率与间隔成倍数关系时，此时可采用梳状波发生器来产生一系列谐波分量，若在某一时刻只有一个频率输出，则可以采用电调滤波器来提取所需的频率信号，若同时输出几个频率信号，则可以采用几个滤波器同时提取所需的频率信号，如图2-3所示，这种方法在频率合成器中广泛用于产生辅助频率第二章直接频率合成技术 图2-3谐波法直接相干频率合成器 第二章直接频率合成技术 3.3.三混频法三混频法在直接频率合成器的设计中，能不能利用标准模块的重复使用来构造频率，这是一个关键的问题这种方法有许多优点，既可以减少设计的成本和时间，也可以降低生产费用，还可以简化频率合成器的操作、校准和维护图2-4是一个典型的十进制直接频率合成模块方框图，该十进制功能模块由一个差频混频器、两个和频混频器和带通滤波器组成，该单元可以重复使用以产生所希望的频率步进第二章直接频率合成技术 图2-4典型的十进制直接频率合成模块 第二章直接频率合成技术 由图2-4(a)可以看出，输出频率中发生了频率偏移，如果在实际的电路中不希望出现这种频率偏移，只要在输出端加上如图2-4(b)所示电路，就可以消除这个频率偏移了。

第二章直接频率合成技术 4.4.双混频双混频分频法分频法采用双混频分频法同样可以满足重复利用的问题如图2-5所示，该十进制功能模块由两个和频混频器、一个10分频器和带通滤波器组成该十进制功能模块输入的参考频率要满足10fin=fin+f1+f2的关系第二章直接频率合成技术 图2-5双混频分频法直接频率合成器模块 第二章直接频率合成技术 下面给出一个十进制功能模块的应用例子如某一个频率合成器要求输出频率范围为3031 MHz，频率间隔(频率分辨力)为1 Hz，可以用十进制组件来组合图2-6是一个十进制功能模块M，用此模块M来组合满足上述要求的直接频率合成器，如图2-7所示第二章直接频率合成技术 图2-6双混频分频法直接频率合成器模块M第二章直接频率合成技术 图2-7双混频分频法直接频率合成器 第二章直接频率合成技术 直接频率合成器是由混频器、倍频器、分频器、压控振荡器(VCO)以及滤波器组成的直接频率合成器的性能指标取决于这些电路的性能，所以有必要将直接频率合成器所采用的主要电路作以简单介绍，对我们理解和设计频率合成器有重要的参考价值2.2直接频率合成器的几个主要组成电路直接频率合成器的几个主要组成电路 第二章直接频率合成技术 2.2.12.2.1混频器混频器混频器的作用是获得两个输入信号频率的和频分量或差频分量，如图2-8所示。

图2-8混频器 第二章直接频率合成技术 混频器本身就是一个非线性器件，其输入和输出的响应可以表示为若令vi=A1cos1t+A2cos2t,并将其代入上式为了方便分析，可令A=A1=A2，则可得(2-1)第二章直接频率合成技术(2-2)第二章直接频率合成技术 由上述分析可以看出：当激励信号是双频激励时，则非线性网络输出信号除了基波(0)和直流分量外，还产生一系列组合频率分量，即 m,n=m1n2 (2-3)式中,m,n-3，-2，-1，0，1，2，3；m,n称为组合频率；m和n n的绝对值称为组合频率分量的阶由上式还可以看出，幂级数的奇次项只产生奇阶组合频率分量，幂级数的偶次项只产生偶阶组合频率分量第二章直接频率合成技术 若频率合成器通过混频器取差频输出，即out=1-2，也就是m=1，n=-1，那么m和n的其他取值均为干扰频率，高阶的干扰频率的信号很弱，但是低阶的干扰频率信号必须要加以考虑抑制这些干扰频率的信号主要有两种方法：其一是设计适合的滤波器在保证所需要的频率信号无衰减地通过外，同时抑制混频器所产生的干扰频率信号；另一种方法是适当选择混频器的本振频率(如2)，使得不产生(或少产生)在滤波器通带内的干扰频率信号。

第二章直接频率合成技术 大多数频率合成器中都要使用混频器，目的是为了提供低频带的工作频率范围，把微波信号向下混频，直到几兆赫兹或者更低这对混频器的要求很高，所以电路就比较复杂，通常采用的是二极管平衡混频器和差分对有源乘法混频器，过去采用分离元件构成的，现在常常使用单片集成电路，因而可以保证性能的一致性平衡混频器的特点是：信号的偶次谐波可以被抵消，特别是二次谐波被抵消，这就大大降低了输出组合频率的干扰；平衡混频器的工作频带很宽，适合宽带应用第二章直接频率合成技术 经相位噪声分析，混频器相位噪声对频率合成器的相位噪声的贡献为 S()=S1()+S2()式中，S()、S1()、S2()分别为总的相位噪声单边带功率谱密度、输入的相位噪声单边带功率谱密度、混频器的相位噪声单边带功率谱密度第二章直接频率合成技术 图2-9给出了典型的双平衡混频器原理图该混频器不论在国内还是在国外均有商品出售它由两个巴伦(不平衡到平衡的转换)和一个二极管桥组成，在频率较低时(3 GHz以下)由传输线变压器构成，频率高于3 GHz时一般都是由平行耦合线构成的这种混频器工作带宽非常宽，可达到几个乃至十几个倍频程随着半导体技术的发展，出现了各种各样的混频器芯片，这为频率合成器的发展提供了有力的支持。

第二章直接频率合成技术 图2-9典型的双平衡混频器原理图 第二章直接频率合成技术 2.2.22.2.2倍频器倍频器倍频器和混频器一样广泛应用在各种频率合成器中倍频器的主要功能是把参考源频率倍乘到所需要的频率，通常比直接产生这些频率容易、方便，而且不需要多个参考频率源第二章直接频率合成技术 倍频器是频率的倍乘，必须采用非线性器件来完成倍频器根据其工作原理可分为两种：一种是非线性电抗型，如变容二极管、阶跃恢复二极管(SRD)；另一种为非线性电导型，如肖特基势垒二极管、晶体三极管、场效应晶体管等前者应用于较高的频率，但由于载流子储存效应和较高的AM-PM变换，使得相位噪声较高后者应用于较低的频率，由于几乎不存在载流子储存效应，所以相位噪声较低，一般应用于低相位噪声的倍频器第二章直接频率合成技术 根据相位噪声的理论分析得知，倍频器使得相位噪声恶化的理论值为20 lgn(n为倍频器的倍频次数)在实际的应用中，要把参考源的频率倍乘到射频或微波范围，最关键的问题是选择什么样的方法和电路倍频的方法基本上有两种：一种采用高次倍频器直接把频率倍乘到所需要的频率上；另一种是通过倍频链把频率倍乘到所需要的频率上，并在合适的频率上加上窄带晶体滤波器，如图2-10所示。

第二章直接频率合成技术 图2-1064次倍频器 第二章直接频率合成技术 图2-10(a)表示将10 MHz的高稳定度的参考频率直接进行64倍频倍乘到640 MHz，显然相位噪声将要恶化20 lg64=36.12 dB图2-10(b)表示将10 MHz的高稳定度的参考频率通过6级二倍频器倍乘到所需要的频率上去，并在第二级倍频器后面加上一个窄带晶体滤波器(带宽为6 kHz)和在第四级倍频器后再加上一个晶体滤波器(带宽为18 kHz)，此时倍频器的相位噪声比没有加滤波器的倍频器提高了15 dB，这种改进是相当可观的第二章直接频率合成技术 图2-11给出了微带型变容二极管三倍频器电路图，由图可知，微带型变容二极管三倍频器由隔直电容、低通阻抗变换器、变容二极管、输出阻抗匹配器、空闲电路、输出带通滤波器、直流偏置电路等组成空闲电路的作用是将倍频器产生的二次谐波送回变容二极管，使其与基波再次混频产生三次谐波，从而提高倍频效率图2-12给出了阶跃恢复二极管七倍频器原理图，它由隔直电容Cd、切比雪夫低通阻抗变换器(由C1、L2、C3、L4构成)、偏置电阻Rb、调谐电容CT、激励电感L、阶跃恢复二极管、谐振电路以及输出滤波器等组成。

第二章直接频率合成技术 对于高。