一种通用化的频率合成器及合成方法
阅读说明：本技术 一种通用化的频率合成器及合成方法 (Universal frequency synthesizer and synthesis method ) 是由 杜珂 朱红辉 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通用化的频率合成器及合成方法,所述频率合成器包括晶振,还包括依次相连的梳状谱电路、可变参考环、分频器Ⅰ和锁相环,所述锁相环包括依次环状相连的鉴相器Ⅱ、滤波器Ⅴ、宽带VCO和分频器Ⅱ,所述可变参考环包括依次相连的功分器Ⅰ、滤波器Ⅰ、DDS电路、鉴相器Ⅰ、滤波器Ⅲ、CRO振荡器和功分器Ⅱ,所述功分器Ⅰ还依次连接有滤波器Ⅱ、混频器、以及与鉴相器Ⅰ相连的滤波器Ⅳ,所述功分器Ⅱ还分别连接于混频器和分频器Ⅰ,所述混频器与功分器Ⅱ之间连接有放大器,所述分频器Ⅰ与鉴相器Ⅱ相连。本发明整体结构简单,设计合理,生成的频率信号具有低相位噪声低杂散和细步进以及宽带功能,是一种通用化频率源,可应用于多个平台。(The invention discloses a universal frequency synthesizer and a synthesis method, wherein the frequency synthesizer comprises a crystal oscillator, a comb spectrum circuit, a variable reference ring, a frequency divider I and a phase-locked loop which are sequentially connected, the phase-locked loop comprises a phase discriminator II, a filter V, a broadband VCO and a frequency divider II which are sequentially connected in a ring shape, the variable reference ring comprises a power divider I, a filter I, a DDS circuit, a phase discriminator I, a filter III, a CRO oscillator and a power divider II which are sequentially connected, the power divider I is further sequentially connected with a filter II, a mixer and a filter IV connected with the phase discriminator I, the power divider II is further respectively connected with the mixer and the frequency divider I, an amplifier is connected between the mixer and the power divider II, and the frequency divider I is connected with the phase discriminator II. The invention has simple integral structure and reasonable design, and the generated frequency signal has the functions of low phase noise, low stray, fine stepping and broadband, is a universal frequency source and can be applied to a plurality of platforms.)
技术领域
本发明涉及射频微波技术领域，具体地来说，涉及一种通用化的频率合成器及合成方法。
背景技术
频率合成器是雷达、仪器测试、电子侦察与对抗、导航、宇宙飞行和通信等电子系统的重要部件，目前，这些电子系统对频率合成器的通用化需求越来越迫切；而一个通用化的频率合成器，可以应用多个平台，减少重新设计成本和风险。因此，低相位噪声、低杂散、超小跳频步进以及宽带合成是频率合成器设计者需要重点关注的指标。
目前，频率合成器的设计方案有很多种，但是这些方案并不能同时兼顾低相位噪声、低杂散、超小跳频步进以及宽带合成，无法实现通用化。例如，仅仅采用直接模拟合成的方法，比较容易获得低相位噪声指标，但是超小跳频步进和高杂散抑制指标往往不容易做好，带宽也不容易做宽；仅仅采用直接数字合成的方法，比较容易获得低相位噪声指标和超细小步进的信号，但是信号频率低，且带宽窄；仅仅采用间接锁相频率合成的方法，可以做成宽带，但是很难同时满足超细小步进和高杂散抑制指标。
中国授权专利公告号CN207427123U，公告日2018年5月9日，公开一种采用锁相环滤波原理的超宽带低相噪频率源，文中提出“包括参考晶振、主环电路和辅助环电路；参考晶振输出三路参考信号，第一路参考信号输出端与倍频链路信号输入端连接，主环电路包括梳状谱谐波发生器，参考晶振第二路参考信号输出端与梳状谱谐波发生器信号输入端连接，辅助环电路包括第二鉴相器和第二放大器，参考晶振第三路参考信号输出端与第二鉴相器参考输入端连接”。该现有技术中辅助环电路直接增加在锁相环电路中，结构复杂，合成步骤繁琐，同时参考晶振输出有三路参考信号，且仅在部分参考信号的输送过程设有共三个滤波器，其高杂散抑制指标的实现效果一般，解决不了同时具备低相位噪声、低杂散、超小跳频步进和宽带合成指标的通用化频率源合成的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用化的频率合成器及合成方法，以解决上述背景技术中提出的现有频率合成器结构复杂，合成步骤繁琐，环路的滤波效果一般，不能同时兼顾低相位噪声、低杂散、超小跳频步进和宽带指标，无法较好地合成通用化频率源的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种通用化的频率合成器，包括依次相连的晶振、梳状谱电路、可变参考环、分频器Ⅰ和锁相环，所述锁相环包括依次环状相连的鉴相器Ⅱ、滤波器Ⅴ、宽带VCO和分频器Ⅱ，所述可变参考环包括依次相连的功分器Ⅰ、滤波器Ⅰ、DDS电路、鉴相器Ⅰ、滤波器Ⅲ、CRO振荡器和功分器Ⅱ，所述功分器Ⅰ还依次连接有滤波器Ⅱ、混频器、以及与鉴相器Ⅰ相连的滤波器Ⅳ，所述功分器Ⅱ还分别连接于混频器和分频器Ⅰ，所述混频器与功分器Ⅱ之间连接有放大器，所述分频器Ⅰ与鉴相器Ⅱ相连；所述晶振为恒温晶振，所述分频器Ⅰ为16分频器，所述分频器Ⅱ为4分频器，所述滤波器Ⅳ为低通滤波器。
其中，所述功分器Ⅰ的第一输出端依次经滤波器Ⅰ、DDS电路与鉴相器Ⅰ的第一输入端相连，所述功分器Ⅰ的第二输出端经滤波器Ⅱ与混频器的第一输入端相连，所述鉴相器Ⅰ的输出端依次经滤波器Ⅲ、CRO振荡器与功分器Ⅱ的输入端相连，所述功分器Ⅱ的第一输出端与分频器Ⅰ的输入端相连，所述功分器Ⅱ的第二输出端经放大器与混频器的第二输入端相连，所述混频器的输出端经滤波器Ⅳ与鉴相器Ⅰ的第二输入端相连，所述分频器Ⅰ的输出端与鉴相器Ⅱ的第一输入端相连，所述鉴相器Ⅱ的输出端与滤波器Ⅴ的输入端相连，所述滤波器Ⅴ的输出端与宽带VCO的输入端相连，所述宽带VCO的第一输出端经分频器Ⅱ与鉴相器Ⅱ的第二输入端相连，所述宽带VCO的第二输出端输出信号源。
本发明还提供了通用化的频率合成器的合成方法，具体操作步骤如下:
1）晶振振荡产生第一参考信号，送入梳状谱电路，生成梳状谱信号输出；
2）梳状谱信号通过功分器Ⅰ分为两路输出：一路经滤波器Ⅰ滤除杂散并扩大后，生成第二信号，提供给DDS电路做参考时钟，DDS电路同时生成中频信号，提供给鉴相器Ⅰ作为参考信号；一路经滤波器Ⅱ滤除杂散并扩大后，生成第三信号，提供给混频器做内插本振；
3）将CRO振荡器的射频信号通过功分器Ⅱ分为两路输出，一路经放大器放大后，输送至混频器，从而与第三信号混频，并经滤波器Ⅳ滤除杂散后，输送至鉴相器Ⅰ，将其与DDS电路输出的中频信号进行鉴相比较后，输送至滤波器Ⅲ，再经滤波器Ⅲ滤除杂散后，输送至CRO振荡器，形成闭合环路，完成锁相功能，生成S波段可变参考信号；
4）将S波段可变参考信号经功分器Ⅱ输送至分频器Ⅰ分频，生成低频信号，用作鉴相器Ⅱ的参考信号；
5）将宽带VCO的射频信号经分频器Ⅱ分频后，输送至鉴相器Ⅱ，并将其与分频器Ⅰ生成的低频信号进行鉴相比较后，输出低频误差信号送至滤波器Ⅴ，经滤波器Ⅴ滤除杂散后，进而输出低频直流信号以调谐宽带VCO振荡器，形成回环，完成锁相功能，合成频率信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用直接模拟合成和直接数字合成以及间接数字锁相合成结合一起的混合频率合成方式，利用直接模拟合成和直接数字合成方式，产生S波段的可变窄带参考信号，S波段的可变窄带参考信号分频以后，通过分频锁相合成方式，产生最终的10-20G的频率信号，由依次相连的晶振、梳状谱电路、可变参考环、分频器Ⅰ和宽带锁相环组成，整体结构简单，设计合理，生成的频率信号具有低相位噪声低杂散和细步进以及宽带功能，是一种通用化频率源，可应用于多个平台；
2.本发明中梳状谱信号通过功分器分为两路，输送至可变参考环，其中，从功分器Ⅰ到鉴相器Ⅰ的线路设置有滤波器Ⅰ，从功分器Ⅰ到混频器的线路设置有滤波器Ⅱ，从混频器到鉴相器Ⅰ的线路设置有滤波器Ⅳ，从鉴相器Ⅰ到功分器Ⅱ的线路设置有滤波器Ⅳ，同时可变参考环生成的S波段可变参考信号经分频后输送至锁相环，锁相环中设置有滤波器Ⅴ，整个频率源的合成过程，在信号的各关键输送线路均设置滤波器，最大程度地发挥了环路滤波特性以将杂散信号滤除，极大地提升了频率源输出的低杂散特性。
附图说明
图1为本发明的模块方框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行说明：
如图1所示，一种通用化的频率合成器，包括依次相连的晶振、梳状谱电路、可变参考环、分频器Ⅰ和锁相环，所述锁相环包括依次环状相连的鉴相器Ⅱ、滤波器Ⅴ、宽带VCO和分频器Ⅱ，所述可变参考环包括功分器Ⅰ、滤波器Ⅰ、DDS电路、滤波器Ⅱ、鉴相器Ⅰ、滤波器Ⅲ、CRO振荡器、功分器Ⅱ、放大器、混频器、和滤波器Ⅳ。
其中，功分器Ⅰ的第一输出端依次经滤波器Ⅰ、DDS电路与鉴相器Ⅰ的第一输入端相连，功分器Ⅰ的第二输出端经滤波器Ⅱ与混频器的第一输入端相连，鉴相器Ⅰ的输出端依次经滤波器Ⅲ、CRO振荡器与功分器Ⅱ的输入端相连，功分器Ⅱ的第一输出端与分频器Ⅰ的输入端相连，功分器Ⅱ的第二输出端经放大器与混频器的第二输入端相连，混频器的输出端经滤波器Ⅳ（低通滤波器）与鉴相器Ⅰ的第二输入端相连，分频器Ⅰ的输出端与鉴相器Ⅱ的第一输入端相连，鉴相器Ⅱ的输出端与滤波器Ⅴ的输入端相连，滤波器Ⅴ的输出端与宽带VCO的输入端相连，宽带VCO的第一输出端经分频器Ⅱ与鉴相器Ⅱ的第二输入端相连，宽带VCO的第二输出端输出信号源。
上述通用化的频率合成器的合成方法，具体操作步骤如下：
首先，外部的恒温晶振振荡产生100MHz的参考信号，送入梳状谱电路，生成100MHz的梳状谱信号以后，通过功分器Ⅰ分为两路输出：一路经滤波器Ⅰ滤除杂散并扩大后，生成杂散抑制度很高的1200MHz的信号；一路经滤波器Ⅱ滤除杂散并扩大后，生成杂散抑制度很高的3200MHz的信号，提供给混频器做内插本振；而其中，1200MHz的信号提供给DDS电路做参考时钟，DDS电路同时生成细步进的中频信号，中频信号的频率范围为12-80MHz，提供给鉴相器Ⅰ用作参考信号，3200MHz的信号提供给混频器做内插本振；同时，将CRO振荡器的射频信号通过功分器Ⅱ分为两路输出，一路经放大器放大后，输送至混频器，从而与3200MHz的信号混频，并经滤波器Ⅳ滤除杂散后，输送至鉴相器Ⅰ，将其与DDS电路输出的中频信号进行鉴相比较后，输送至滤波器Ⅲ，再经滤波器Ⅲ滤除杂散后，输送至CRO振荡器，形成闭合环路，完成锁相功能，生成3212-3280MHz 的S波段可变参考信号；然后，将S波段可变参考信号经功分器Ⅱ输送至分频器Ⅰ分频，分频器Ⅰ为16分频器，生成200.75-205MHz的低频信号，用作鉴相器Ⅱ的参考信号；最后，将宽带VCO的射频信号经分频器Ⅱ分频后，输送至鉴相器Ⅱ，并将其与分频器Ⅰ生成的低频信号进行鉴相比较后，输出低频误差信号送至滤波器Ⅴ，经滤波器Ⅴ滤除杂散后，分频器Ⅱ为4分频器，进而输出低频直流信号以调谐宽带VCO振荡器，形成回环，完成锁相功能，最终生成10-20G的通用化频率源。
其中，S波段可变参考信号，通过内插本振和DDS中频信号内插混频产生，且内插本振和DDS时钟均来自于梳状谱电路S波段可变参考信号相位噪声很低，其与晶振信号在相位噪声关系上满足20lgN；S波段可变参考信号分频后和宽带VCO锁相合成最终的10-20G范围的频率源，锁相模式为整数模式，鉴相器Ⅱ噪底很低，S波段可变参考信号的噪声贡献比后续鉴相器Ⅱ的噪声贡献低，则最终输出的10-20G的通用化频率源相位噪声直接取决于鉴相器Ⅱ的噪底，此处选择低噪声的鉴相器Ⅱ，可以满足通用化频率源的低相噪需求。
DDS电路输出的中频信号的跳频步进，满足μHz级别，近端杂散指标高；综上，因为S波段可变参考信号通过内插本振和DDS中频信号内插混频产生，所以S波段可变参考信号的近端杂散信号，主要取决于DDS电路输出的中频信号的近端杂散，其优于88dBc；因此10-20G范围的频率源近端杂散仅仅取决于S波段可变参考信号，约恶化16dB，满足70dBc；且10-20G范围的频率源的调频步进也取决于S波段可变参考信号，满足μHz级别。
最终，频率源的典型相位噪声：＜[email protected]；杂散：＜-70dBc；跳频步进：＜0.1Hz；合成范围：10-20GHz。该频率源信号具有低相位噪声、低杂散、细步进以及宽带功能，是一种通用化频率源。