用于航天导航的低相位噪声四倍频时钟生成方法及电路
阅读说明：本技术 用于航天导航的低相位噪声四倍频时钟生成方法及电路 (Low-phase noise quadruple frequency clock generation method and circuit for aerospace navigation ) 是由 郭瑞 梁晟溟 赵诣 李昌彤 王粟 于 2021-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于航天导航的低相位噪声四倍频时钟生成方法及电路,通过设置放大器工作电压利用放大器非线性区谐波特性,实现对基准时钟源四倍频的功能。本发明实现对高稳时钟源进行四倍频,并通过多级放大器放大与多级滤波网络达到输出低相位噪声时钟信号,时钟相位均方根抖动小于18ps。本发明方法可用于航天导航系统上对发射机上的时钟源进行倍频,产生用于发射频段的整数倍频率伪码和载波信号,解决数字锁相环相位噪声大的问题,保证发射机良好的相位不平衡度。(The invention relates to a low phase noise quadruple frequency clock generation method and a circuit for aerospace navigation, which realize the function of quadruple frequency of a reference clock source by setting the working voltage of an amplifier and utilizing the harmonic characteristic of the nonlinear region of the amplifier. The invention realizes the quadruple frequency of the high-stability clock source, and outputs the clock signal with low phase noise through the amplification of the multistage amplifier and the multistage filter network, and the root mean square jitter of the clock phase is less than 18 ps. The method can be used for frequency multiplication of a clock source on a transmitter on a space navigation system to generate integral multiple frequency pseudo codes and carrier signals for transmitting frequency bands, solves the problem of high phase noise of a digital phase-locked loop, and ensures good phase imbalance of the transmitter.)
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是用于航天导航应用的低相位噪声四倍频时钟的设计方法。
背景技术
在航天导航应用中一般由高稳时钟源产生一个基准时钟，再由该基准时钟经倍频产生其他频率的时钟提供给其他设备，例如导航增强系统用于播发功率增强的导航测距信号，以提高地面终端的抗干扰能力。导航增强系统中有导航增强发射机，其基准时钟源为10.23MHz的高稳时钟，发射导航增强信号需要产生伪码、载波等，以便将导航电文等信号进行上变频处理并发射。此时就需要将伪码及载波等时钟调整为基频整数倍频关系，导航增强发射机发射的增强信号要保证良好的相位不平衡度，以便0相位点不存在截断。
目前在时钟倍频方面多采用数字频综芯片，数字频综芯片通过外部配置信号进行寄存器配置，经内部锁相环输出数字时钟。频综芯片采用数字电平标准对输入的模拟时钟进行识别并倍频，不可避免的会存在相位均方根抖动较大的问题，而市场上低相位噪声的频综芯片一般价格昂贵。另外，数字频综芯片因需要寄存器配置，其对空间环境的敏感度较高，易发生单粒子翻转、锁定等问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有的航天应用环境，应低成本、高可靠的发展需求，提出了一种新型的用于航天导航的低相位噪声四倍频时钟生成方法及电路，基于放大器非线性区谐振的特性产生四倍频时钟，然后对该时钟进行滤波放大。
本发明的目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于航天导航的低相位噪声四倍频时钟生成方法，步骤如下
(1)在第一级放大器供电端串接电阻，降低第一级放大器的供电电压，使第一级放大器工作于非线性区，产生高次谐波；
(2)将产生的高次谐波经过带通滤波器滤除除四次谐波以外的频率，该次滤波为第一级滤波；
(3)对四次谐波进行第二级放大和第二级滤波，以达到时钟功率要求。
进一步的，在每一级滤波器前端均设置匹配网络以避免放大器发生自激。
进一步的，通过第一级放大器供电端串接的电阻防止第一级放大器发生单粒子锁定。
进一步的，第二级放大器的供电端串接电阻以防止第二级放大器发生单粒子锁定。
进一步的，本发明还提出一种低相位噪声四倍频时钟生成电路，包括：输入匹配电路、供电电路、第一级放大电路、匹配网络电路、第一级带通滤波器、第二级放大电路以及第二级带通滤波器；
供电电路用于给第一级放大电路和第二级放大电路供电，输入匹配电路用于调节第一级放大电路的输入阻抗，在第一级放大电路的供电端串接电阻R3，使得第一级放大电路工作于非线性区，输出信号包含各高次谐波；对输出的各谐波信号通过匹配网络电路进行LC阻抗匹配后，再通过第一级带通滤波器BPF1滤除除四次谐波以外的频率；第一级带通滤波器输出的四次谐波经过第二级放大电路对该信号进一步放大，以满足信号幅度要求，第二级放大电路放大后的信号再经过匹配网络电路进行LC阻抗匹配以及通过第二级带通滤波器进行滤波，得到最终输出时钟。
进一步的，第一级放大器U1的输入信号是功率为2dBm的10.23MHz的基准时钟，该基准时钟信号先经过第一级放大器U1，第一级放大器增益为15dBm，1dB压缩点为15dBm，串接在第一级放大器U1供电端的电阻R3为51欧，工作电流为30mA，供电电压为5V，使得第一级放大器供电管脚处电压约3.5V，此时第一级放大器工作于非线性区。
进一步的，第一带通滤波器的1dB带宽为2MHz，在10.23MHz处抑制60dB。
进一步的，第二级放大器U3增益为28dB，第二级放大器U3供电端串接的电阻R5为22欧。
进一步的，最终输出时钟频率为40.92Mhz，功率为5dBm。
本发明与现有技术相比带来的有益效果为：
(1)本发明通过设置放大器工作电压使其进入非线性区，使谐波最大功率输出。
(2)本发明设计产生的时钟为高稳时钟源的四次谐波,相位噪声与时钟源一致,与数字锁相环相比，相位均方根抖动为由120ps降低至18ps。
(3)本发明设计无需程序配置，避免了传统数字锁相环需软件进行寄存器配置，内部寄存器易发生单粒子翻转问题。
(4)本发明设计利用放大器自身特性，不需要软件配置，简化了系统设计，提高了可靠性。
(5)本发明方法能够明显改善相位噪声，其相位噪声等同于高稳时钟源，替代了以往的数字频综倍频，降低了成本；同时该方法具有抗单粒子效应措施，提高了航天空间环境下的可靠性。
附图说明
图1为本发明的四倍频电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
由于时钟倍频多采用数字锁相环方式，使得倍频后的时钟相位发生偏移，很大程度上影响了导航系统发射机伪码及载波的相位一致性，本发明通过设置放大器工作电压利用放大器非线性区谐波特性，实现对基准时钟源四倍频的功能。
本发明的理论基础是利用放大器的非线性区产生输入信号的各次谐波，再通过滤波器选择所需的时钟。为了使放大器工作于非线性区，产生较大功率的高次谐波，通过在放大器供电端串接电阻，降低放大器的供电电压，产生的高次谐波再经过带通滤波器滤除除四次谐波以外的频率，然后对四次谐波进行放大滤波，以达到时钟功率要求，为避免放大器发生自激，在每一级滤波器前端设置匹配网络。
具体的，本发明提出的一种用于航天导航的低相位噪声四倍频时钟生成方法，包括步骤如下：
(1)在第一级放大器供电端串接电阻，降低第一级放大器的供电电压，使第一级放大器工作于非线性区，产生高次谐波；
(2)将产生的高次谐波经过带通滤波器滤除除四次谐波以外的频率，该次滤波为第一级滤波；
(3)对四次谐波进行第二级放大和第二级滤波，以达到时钟功率要求。
优选的，在每一级滤波器前端均设置匹配网络以避免放大器发生自激。
优选的，通过第一级放大器供电端串接的电阻防止第一级放大器发生单粒子锁定。
优选的，第二级放大器的供电端串接电阻以防止第二级放大器发生单粒子锁定。
该方法能够明显改善相位噪声，其相位噪声等同于高稳时钟源，替代了以往的数字频综倍频，降低了成本；同时该方法具有抗单粒子效应措施，提高了航天空间环境下的可靠性。
基于上述思路，参阅附图1，本发明具体设计出一种用于航天导航应用的低相位噪声四倍频时钟的生成电路，该电路包括输入匹配电路、供电电路、第一级放大电路、匹配网络电路、第一级带通滤波器、第二级放大电路、第二级带通滤波器。
供电电路用于给第一级放大电路和第二级放大电路供电，输入匹配电路用于调节第一级放大电路的输入阻抗，在第一级放大电路的供电端串接电阻R3，使得第一级放大电路工作于非线性区，输出信号包含各高次谐波；对输出的各谐波信号通过匹配网络电路进行LC阻抗匹配后，再通过第一级带通滤波器BPF1滤除除四次谐波以外的频率；第一级带通滤波器输出的四次谐波经过第二级放大电路对该信号进一步放大，以满足信号幅度要求，第二级放大电路放大后的信号再经过匹配网络电路进行LC阻抗匹配以及通过第二级带通滤波器进行滤波，得到最终输出时钟。
(1)输入信号是功率为2dBm的10.23MHz的基准时钟，先经过第一级放大器U1，第一级放大器增益为15dBm，1dB压缩点为15dBm，设置电阻R3为51欧，工作电流为30mA，供电电压为5V，第一级放大器供电管脚处电压约3.5V，此时第一级放大器工作于非线性区，输出信号包含各高次谐波。串接电阻R3还可以防止第一级放大器发生单粒子锁定。
工作原理：
根据放大器工作特性：
当信号放大器的输入信号功率较小时，放大器工作在线性状态，输出信号和输入信号之间满足线性关系，
如公式
Vo＝a0*Vi
Vi＝V0*coswt
此时输出信号的频率和输入信号的频率相同，没有新的频率分量产生，放大器没有产生非线性失真。其中，Vo为放大器输出信号幅度，a0为系数，Vi为放大器输入信号，w为信号的角频率，V0为输入信号幅值。
当小信号放大器的输入信号功率增大后，放大器开始工作在非线性状态，此时输入和输出的关系近似：
Vo＝a0*Vi+a1*Vi2,
将Vi＝V0*coswt代入后得
Vo＝1/2*a1*V0 2+a0*V0coswt+1/2*a1*a0 2cos2wt,
其中，a0a1为各项系数，此时输出信号包括输入信号的二次谐波2w。
小信号放大器的输入信号功率进一步放大，放大器的非线性状态可用公式表示：
Vo＝a0*Vi+a1*Vi2+a2Vi3+a3*Vi4代入公式得
Vo＝1+1/2*a1*V0 2+1/4*a3*V0 4+(a0*V0+a2V0 3)coswt+(1/2*a1*V0 2+1/2)cos2wt
+1/2*a2V0 3cos3wt+1/8*a3V0 4cos4wt
其中,a0a1a2a3为各项系数，此时输出信号包括输入信号的四次谐波4w。
(2)对输出的各谐波信号进行LC阻抗匹配后经过第一带通滤波器BPF1，第一带通滤波器1dB带宽为2MHz，在10.23MHz处抑制60dB。
(3)经第一带通滤波器后40.92MHz功率降低至-16dBm，为满足信号幅度要求，对该信号进一步放大，再经过第二级放大器U3，此时第二级放大器工作于线性区，第二级放大器U3增益为28dB，供电端串接电阻R5为22欧，防止第二级放大器发生单粒子栓锁
(4)第二级放大器输出的时钟信号再经过LC阻抗匹配和第二带通滤波器U4，最终输出时钟40.92Mhz,功率为5dBm。
本发明设计产生的时钟为高稳时钟源的四次谐波,相位噪声与时钟源一致，与数字锁相环相比，相位均方根抖动为由120ps降低至18ps。
同时，本发明方案无需程序配置，避免了传统数字锁相环需软件进行寄存器配置，内部寄存器易发生单粒子翻转问题。本设计利用放大器自身特性，不需要软件配置，简化了系统设计，提高了可靠性。
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