毫米波频率源方案论证和X波段低相噪点频源研制可编辑.doc

毫米波频率源方案论证和X波段低相噪点频源研制 电子科技大学硕士学位论文毫米波频率源方案论证和X波段低相噪点频源研制姓名:伍岳申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:张玉兴20060501摘要摘要本文主要是对毫米波频段的小型化、低相位噪声锁相频率合成源的基本方案进行了研究,并研制了其功能组件??波段低相位噪声点频源文中,通过建立锁相环路的相位噪声模型,并分析了使用∑一』调制技术的分数频率综合器的杂散性能,以此二者为理论依据完成了毫米波频率源合成器的基本方案??锁相混频环倍频器方案最后,研制成功了波段低相位噪声点频源,实测结果表明其指标满足毫米波频率源合成器的基本方案对该功能组件的要求关键词:毫米波,频率源合成器,锁相环,倍频器,相位噪声,分数杂散∑一』调制技术, ??,????? ?.、∑一』 ?.,. . .: , , ,?,∑一彳.Ⅱ,独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签名: 日期:州年牵、垒垂关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名:垄蠡导师签名:望丝堡日期:埘占年夸月灯日第一章引言第一章 引言.毫米波及其特点在电磁频谱中,毫米波介于微波和光波之间,低端与微波相连,而高端则和红外、光波相接,其领域兼容微波、光波两门技术学科的理论和技术,并逐渐发展成为一门知识密集和技术密集的综合性分支学科,它的发展也必然同时为信息科学、微电子技术、大气物理和材料科学等方面的研究提供重要手段,从而进一步促进这些学科的发展“毫米波的发展由其本身的固有特点所确定短波长,宽频带以及与大气的相互作用】,是促进毫米波技术发展的三个基本因素在毫米波频段,电磁能量在大气中传播时与大气中气体、悬浮微粒以及含水物质的相互作用要比微波能量与它们的相互作用强得多,这些相互作用通过三种机理,即吸收、散射和折射产生。

毫米波的大气传输特性,决定了各频段的用途毫米波频段有四个低损耗大气“窗口”,它们的中心频率在,,和附近,其对应波长分别为.,.,.和,一般系统大都工作于这些“窗口”频率,其可用带宽分别为,,和,任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内这些带宽特性,在雷达中可用窄脉冲和宽带调频技术获得目标的细部特征在通信系统中能传送更多的信息,大大拓宽已十分拥挤的通信频谱,为更多用户提供互不干扰的通道宽带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性同样,对应的中心频率为,,和这些大气高衰减区频段成为保密通信的首选工作频率相对于微波,毫米波波长短,可用频带宽,天线口径小,抗干扰能力强,多普勒效应灵敏度高,以及设备尺寸小,重量轻,机动性好近年来,随着毫米波元器件性能的提高,毫米波系统在精确制导、电子对抗、通信技术、无线电遥感、仪器与测量等方面得到了很大的发展电子科技大学硕士学位论文.毫米波频率合成的研究历史和发展动态毫米波由于其典型特点波长短、频带宽及其大气传输特性,同微波和光波相比起来具有一系列独特的优点,这使其在制导、雷达、遥感和通信等方面得到了广泛应用这些系统由于其应用条件的特殊性,通常对系统的性能指标具有很高的要求,同时,也要求系统具有小体积、轻重量、高稳定性等特性。

由此,对系统的各构成部件提出了更高的技术要求在毫米波系统中,毫米波信号源是一个重要组成部分,它的技术指标在很大程度上决定了系统的性能,甚至可以说,这些毫米波系统的发展和成功应用在很大程度上都可以归结于毫米波源的可实现性通常,信号源的频率稳定度对毫米波系统的稳定性有着较大的影响,信号源的相位噪声特性对毫米波接收机的灵敏度、通信系统的误码率、雷达系统的分辨率等性能具有较大的决定作用为了要充分实现毫米波由于上述特点带来的优点,就要求信号源具有高稳定度、低相位噪声等特性基于锁相环理论的频率合成技术应用已有几十年,并且理论上已经成熟,将其应用在毫米波频段,主要是随着毫米波技术的发展而得到发展的国外,从上世纪七十年代初期已开始了毫米波锁相频率合成源的研究到目前为止,研究成果己较为成熟,己出现了商品化的毫米波频率综合源国内,毫米波锁相系统研究始于上世纪八十年代中期,特别是九十年代以后开始增多但主要由于器件水平落后的原因,对毫米波锁相频率合成源的研究与国外仍有一定的差距,主要表现在系统的综合性能上,诸如信号源的体积、功耗等目前的毫米波频率合成采用稳频技术和低噪声技术,能得到较好的长期频率稳定度和短期频率稳定度。

所采用的主要电路方案有:毫米波腔稳,输出信号经过混频后中频直接锁相,得到所需要的毫米波信号【【;倍频方式的毫米波信号源唧】;脉冲取样锁相的毫米波信号源【【】;锁相倍频方式的毫米波信号源【】【;锁相混频式毫米波信号源【】;多环式毫米波信号源【】【目前,毫米波频率合成源的研究、发展主要集中在以下几个方向:一是朝着小型化的方向发展一方面,随着诸如、、等半导体技术水平以及的发展,频率合成器中的关键元器件,如芯片、分频器、倍频器及等的工作频率不断提高同时,由于集成电路技术的发展,工作于级的上述器件可以集成到一个芯片中,甚至整个频率合成器可以集成到一个芯第一章引言片中【】另一方面,随着装配密度的提高,单位体积内可装配元件数量得到显著的提高如此以来,可以大大缩小整个频率合成源的体积及功耗二是朝着系列化、模块化的方向发展在毫米波频段,随着应用领域的扩展,对各个频率段各种带宽的毫米波信号源都有所需求将毫米波源系列化,可以最大限度地满足各方面的需求做成模块化,有利于随时对系统进行扩展,提高系统的性能三是朝着低噪声的方向发展采用低相位噪声的毫米波源,可以提高接收机的灵敏度,有利于提高制导系统的精度,提高雷达系统的分辨率,可以提高数字通信系统的稳定性能。

四是朝着快速变换输出频率的方向发展由于雷达系统等对频综源频率时的时间响应有较高的要求,采用传统的锁相频率合成技术一般满足不了要求,而采用直接数字频率合成与间接频率合成的混合方式可有兼有二者的优点,势必在此方面有所发展课题简介本课题来源于成都赛英公司的科研预研项目的一部分:毫米波低噪声频率源该频率源所要求的基本技术指标如表.所示表. 基本技术指标指标性能要求 单位频率范围 .~. 步进频率 相位 三一 /噪声三一、 /≤一 谐波杂散耋 非谐波杂散输出功率 ± 该课题作为科研预研项目,具有一定的新颖性和较大的难度本人在该课题电子科技大学硕士学位论文中主要从事了以下几项工作:.根据课题提出的功能与技术指标要求进行系统整体规划和设计针对分数频率合成的大鉴相频率和小步进的特点,对分数频率合成的杂散特性进行了深入的理论分析,为整体方案的选择提供了理论依据就系统的核心部分一一波段低相噪点频源的研制,进行了方案论证和具体的电路设计查阅各类相关文献和资料,分别进行了计算机仿真验证和具体的点频源实物的制作波段低相噪点频源的具体调试和指标测试第二章信号源相位噪声分析第二章 信号源相位噪声分析.频率稳定度要了解频率稳定度,首先定义频率准确度。

一个振荡器有一个标称频率尼,标称频率就是主观上希望的频率值但实际作出的振荡器的频率为,,它与,之间总是存在有偏差,这个偏差为:一一,一,这就称为频率准确度把△,与而之比称为频率的相对准确度笪:上玉?频率的相对准确度是一个随机量随着工作点电压、电流、湿度、温度以及时间长短老化等因素的随机变化,频率相对准确度也随机变化通常随温度和时间两个因素而产生的变化较为重要,于是就定义了温度频率稳定度和时间频率稳定度而时间频率稳定度又分为长期频率稳定度和短期频率稳定度温度频率稳定度是指当温度每变化一度,频率的相对准确度的变化情况频率准确度的单位一般用“”百万分之一,温度频率稳定度的单位则是刀所/时间频率稳定度则定义为:在室温下,观察时间内△,/,的变化情况盯:毕察时间问隔,,一,一是观察时间间隔内的最大频率偏移长期频率稳定度是指较长时间间隔内的相对频率准确度的变化,这个时间间隔指几个月、几天、几小时或者分、秒以上的时间段短期频率稳定度指秒和毫秒内的随机频率变化,相对频率准确度的最大值长期频率不稳定的主要原因有:工作电压、电流变化;电路参数不稳定;元件老化等这是一种缓慢变化的过程,所以通常也把长期频率稳定度叫做频率漂移。

式?定义指定时间内实际频率偏离标称频率的最大值作为长稳的概念不电子科技大学硕士学位论文太好例如,频率相对稳定度在一个月内除了偶尔几秒内是~,其余都是.,按式?则,一,显然这不太合理采用概率统计的方法来表征更为合理,于是改写式?为式?如下:?吒历万甭式中为测量次数,△,为第次所测的相对频率准确度,△,/,为,个测量数据的平均值短期频率稳定度是指秒或毫秒内随机频率的变化,是频率瞬间的无规则变化短稳在频域上又称之为相位抖动或相位噪声引起短期频率稳定度不稳定的原因是频率源的内部噪声,这与长期频率稳定度的不稳定原因完全不一样频率源内部噪声主要来源于电阻的热噪声,有源器件的内部噪声,如散粒噪声、闪烁噪声等所有这些噪声的共同特性是它们的随机性另外,还有一些确定的因果效应,例如,电源的起伏或振动导致短期不稳定性,即发生在小于一秒内的频率变化这些因果效应是完全确定的系统的、离散的信号这些信号在边带频谱上表现为截然不同的固定的分量,即杂散如图.所示综上所述,时间频率不稳定性可用式子表示如下:频率不稳定陛因果效应随机效应/\长期的漂移短期的杂散短期的相盐噪声.相位噪声的基本概念相位噪声【】【是指信号源中,由各种随机噪声所引起的输出信号瞬时频率或相位的起伏,它表征的是信号源输出频率的短期稳定性指标,是高稳定度高、高纯度频率源的一项十分重要的指标。

由于相位噪声的存在,引起载波频谱的扩展,其范围可以从偏离载波小于一直延伸到几兆赫兹理想情况下,信号源输出的信号是完美的正弦波信号,可用式表示如下:?幼其中,为信号的瞬时电压,%为信号的峰值电压幅度,,为信号的频率这样的信号在频域中表现为一根信号谱线,如图.所示第二章信号源相位噪声分析但是,在实际应用中,所有信号源的输出都存在着不稳定性,即存在着幅度、频率或相位的起伏,这样的不纯信号可用下式表示为:【%】打,△妒】其中:代表输出信号的瞬时幅度起伏,△庐代表输出信号的瞬时相位起伏通常情况下,实际的信号源输出中都有《,因此它不直接造成频率起伏或相位起。