張海福 吳蓉蓉

1. 西安電子科技大學(xué) 陜西 西安 710071；

2. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 50081

引言

在微波頻率源中，微波振蕩器和分頻器是關(guān)鍵部分。受技術(shù)、材料、環(huán)境等各方面的制約，相位噪聲的優(yōu)化速度較漫長。而對于梳狀譜發(fā)生器或者可再生分頻器的研究相當(dāng)于是另辟蹊徑，打開低噪的另一扇門。

1 分頻技術(shù)的原理

圖1 是再生式分頻器原理框圖，混頻器本振fin、射頻fin/2，中頻輸出fin/2和3fin/2。帶通濾波器對fin/2信號導(dǎo)通，放大器對fin/2信號放大，帶阻濾波器對3fin/2信號截止。調(diào)整移相器可改變環(huán)路相位條件；另外還有功分器一路輸出一路反饋。當(dāng)環(huán)路增益和相位滿足條件時，分頻器輸出fin/2信號[1]。

圖1 再生式分頻器原理框圖

再生式分頻器相位噪聲理論公式為[2]：

Lout(f)是分頻后輸出信號的相位噪聲，等式右側(cè)Lin(f)是分頻后輸入信號的相位噪聲，N為分頻系數(shù)；Ldivder(f)是分頻器相位噪聲，Lcomp(f)是分頻器中單元部件的相位噪聲，Gm是環(huán)路中相位條件。

由式（1）可知，經(jīng)二分頻(即N=2)后，理想情況下(滿足Gm=-1條件)，相位噪聲改善6dB。若不滿足Gm=-1條件，則相位噪聲改善小于6dB。分頻器的相位噪聲Ldivder(f)直接影響輸出信號的相位噪聲Lout(f)。分頻器中單元部件的相噪，具體的可用式（2）表示[2]：

式中上標(biāo)為1/f 的子式表示放大器和混頻器的1/f 噪聲，為近載波相位噪聲；上標(biāo)為thermal的子式表示放大器和混頻器的熱噪聲，為遠(yuǎn)載波噪聲性能。由上式可知，再生式分頻環(huán)路中決定相位噪聲性能的主要是混頻器和放大器的相位噪聲及環(huán)路的相位條件。

再生式分頻環(huán)路包括無源和有源兩大類電路。無源電路包括濾波器、功分器。濾波器對fin/2信號導(dǎo)通，對fin信號要有足夠的衰減。另外，混頻器的IF端口有3fin/2信號輸出，所以設(shè)計(jì)中采用濾波器抑制分頻器的3fin/2信號。為了保證一定的抑制度，在放大器和功分器之間插入中心頻率為3fin/2的帶阻濾波器。功分器采用3dB功分設(shè)計(jì)。有源電路中，主要是放大器和混頻器的1/f 噪聲，通常放大器的1/f 噪聲較大。要選擇有低1/f噪聲性能的放大器。

遠(yuǎn)載波噪聲性能主要是由放大器熱噪聲決定，公式表示為（3）：

從上面分析得出，放大器的噪聲性能是影響分頻器噪聲性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

2 分頻方案

輸入信號和環(huán)路反饋的輸出信號共同作為混頻器的輸入。在穩(wěn)定狀態(tài)下，混頻器的輸出包括了2種頻率成分，F(xiàn)n/2和3Fn/2通過環(huán)路的濾波器去除了信號3Fn/2輸出信號的頻率便是輸入信號頻率的一半，其相位噪聲20Log(2)。該系統(tǒng)中決定相位噪聲性能的主要原因是：①混頻器和放大器的相位噪聲和環(huán)路的相位移為2Kπ的條件[3]；②分頻環(huán)內(nèi)各個混頻器的幅度條件。只有當(dāng)整個分頻環(huán)路滿足幅度的需求和相位需要，環(huán)路才能正常的穩(wěn)定的工作，再生分頻器才能夠穩(wěn)定的輸出分頻信號。

其中移相器的關(guān)鍵作用就在此。但是移相器是有源器件，而且由于控制電平的影響，會引入低頻噪聲，影響最終系統(tǒng)的相位噪聲。

在這個系統(tǒng)中本振的輸入功率要求較高，對二次諧波抑制也有一定要求。避免本振頻率的次諧波對分頻輸出頻率造成干擾。三平衡混頻器的優(yōu)勢：①低變頻損耗和寬頻帶；②本振驅(qū)動電平范圍寬（+12dBm～+25dBm）；③雜散優(yōu)良，圖2是三種類型的混頻器雜散對比圖。圖2所示，三平衡混頻器在這方面的優(yōu)勢比較明顯；④相位噪聲優(yōu)良[4]。

圖2 多種系列混頻器的雜散

3 低噪聲放大器

圖3 是可再生分頻環(huán)路裝置。它由兩級放大器、混頻器、移相器、功分器組成。

圖3 可再生分頻環(huán)路裝置

相位噪聲主要由放大器的低頻噪聲和高頻噪聲產(chǎn)生，低頻噪聲由于器件的非線性被搬遷到載頻附近，認(rèn)為是乘性噪聲，它決定了近載波的相位噪聲性能；高頻噪聲是白噪聲，屬于加性噪聲，它被加到載波上去，由它決定了偏離載波較遠(yuǎn)處的噪聲基底。級聯(lián)放大器的高頻噪聲有鏈路的第一級決定，級聯(lián)放大器鏈路的低頻噪聲為各級之和。放大器的線性度是關(guān)鍵，這也是選擇SIGE HBT放大器的主要原因。為了保證環(huán)路中增益，環(huán)路中采用兩級放大器[5]。

4 結(jié)束語

分頻系統(tǒng)本振輸入頻率10GHz的相位噪聲和分頻系統(tǒng)輸出頻率5GHz的相位噪聲對比發(fā)現(xiàn)，相位噪聲明顯降低6dBc。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種電路模式的相位噪聲指標(biāo)與理論值相符合，雜散指標(biāo)也比較優(yōu)良。

但是從圖3可以看出，結(jié)構(gòu)龐大，而且采用電纜連接的方式使得整個系統(tǒng)比較松散。下一步工作將對這些分立元單元進(jìn)行集成，做到更小尺寸，更寬工作帶寬。