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频率源介绍

已有 4219 次阅读| 2013-7-10 13:47 |个人分类:资料1

频率源概述

一、频率源种类

频率源是电子系统（雷达、通讯、测控、导航等）的基本信号来源，主要包括固定点频频率源和合成频率源两类。

固定点频频率源主要包括固定点频频率振荡器、固定点频锁相源和晶振倍频器等。固定点频频率振荡器在微波频段一般用于实现频率准确度要求不高的点频源。介质振荡器由于Q值高、尺寸小、易于实现混合集成，从而被较多地用来实现微波集成、低相噪、温度稳定的点频源，并可采用恒温或温补方式进一步提高频率精度。恒温压控振荡器由于温度漂移低、可直接实现高线性度超宽带调频，也得到了广泛应用。石英晶体振荡器是一种高稳定的频率源，但只能工作于几百兆赫范围内，微波频率的稳定频率源通常用石英晶体振荡器经倍频来实现，倍频可以采用锁相倍频或直接倍频。采用直接倍频方式可以获得最低的频谱近端相位噪声。随着大规模集成电路的发展，数字分频锁相电路由于附加相位噪声大幅降低、可靠性高、采用数字接口使用灵活等特点，在微波系统中得到最广泛的应用。

合成频率源又称频率合成器或频率综合器，按其构成方式可分为直接式和间接式。

直接频率合成器采用倍频器、分频器、混频器及微波开关来实现频率合成，具有最优的近端相位噪声和高速捷变频特性，但结构复杂、成本昂贵的特点限制其只能应用于雷达等高端应用领域。直接数字合成器(DDS)目前也得到了广泛应用，但高性能DDS产品的输出频率还有待提高，在微波领域其往往与锁相技术结合以混合方式实现微波频率合成。锁相技术与直接式倍频器或DDS相结合的混合式频率合成器在提高系统性能的同时降低了直接合成方式的成本，已逐渐取代部分直接合成频率源应用在高性能频率源领域。

间接频率合成器采用锁相环(PLL)技术，目前应用最为广泛。这种合成方法使用的电路比直接式合成简单，它是通过鉴相实现相位反馈控制从而实现频率跟踪的闭环系统。模拟锁相环路附加相噪非常低，但电路复杂调试难度大。主要代表是脉冲取样锁相环路，用其制作的脉冲取样锁相介质振荡器(PDRO)可在X波段以上实现接近直接倍频相噪的小型化固定频率源，在频率低端(4GHz以下)通常使用脉冲取样锁相同轴介质腔振荡器(PCRO)以实现小型化。随着半导体技术的发展，数字分频锁相环路由于性能大幅提高、成本大幅降低且具有高的可靠性而得到最广泛应用。

锁相频率源输出信号在环路带宽内的相噪主要受参考信号、鉴相器、分频器以及分频比影响，在环路带宽以外主要取决于VCO相噪。降低相噪最重要的是降低分频比，但会降低频率分辨率，实现高的频率分辨率通常需要采用多环路设计或插入DDS合成器。选择低相噪的参考源和VCO、低基底相噪的鉴相器和分频器对降低相噪也是很重要的。环路对带内外噪声抑制特性、环路附加相位噪声等都与环路设计参数有关，因此相噪特性优化的关键是选择合适的环路带宽并合理设计环路滤波器。锁相式频综由于反馈电路固有的惰性，决定其锁定速度较慢，其锁定（频率切换）速度跟环路带宽、初始频差有关。提高频率切换速度的一般方法是增加锁相环环路带宽、采用可变增益的数字鉴频鉴相器等，此外在高性能频率源中还普遍采用加入高速D/A电路对VCO进行频率预置的方法。

微波频率源的设计和调试是一项细致和专业的工作，设计者需从电路和空间结构等多方面充分考虑信号的隔离、屏蔽、交调、滤波等的具体要求，并根据频率源的使用状态进行精心的调试，才能制作出频谱纯净、性能优良的频率源。频率源的使用者也需要清楚频率源的主要技术指标并理解其含义，了解所用频率源的基本实现原理，这样才能提出最符合使用要求的频率源技术指标，及时发现频率源的潜在问题，减少在应用中出现问题。

二、频率源的主要技术指标

★ 频率范围：

指满足各项技术指标的输出信号频率范围，通常用起止频率或中心频率和带宽来表示。

★ 频率准确度：

频率源工作频率偏离标称频率的程度，可以用绝对频率误差和相对误差（如ppm）来表示。

★ 频率步进：

频率源两个相邻工作频率之间的最小间隔。

★ 频率稳定度：

长期稳定度 由于元器件的老化和性能变化以及环境条件改变导致的输出频率的慢变化（小时、日、年变化等），常用一定时间内频率的相对变化量来表示。

短期稳定度 在较小的时间间隔内（通常是S或mS量级）频率源频率的变化程度，常用阿伦方差来表征。

★ 相位噪声：

是短期稳定度指标的频域表示，它可以看成是各种类型的随机噪声信号对相位的调制作用。从频域表现来看，频谱不再是一根离散的谱线，而带有一定的宽度，用偏离中心频率某频率处单位带宽内噪声能量与中心频率能量的比值表示，即信号频域的单边带相位噪声谱密度，通常表示为dBc/Hz，如-120dBc/Hz@1kHz表示偏离载频1kHz处单位带宽(1Hz)范围内噪声能量与信号能量比为-120dBc。

★ 杂波抑制（杂散）：

指与输出频率不相干的无用频率成分与载波电平的比值，以dBc表示。

★ 鉴相泄漏：

锁相频率源中杂波的一种，其与主频的间隔等于鉴相频率。

★ 谐波抑制：

指与输出频率邻近基波的谐波成分与输出频率电平的比值，以dBc表示。

★ 频率切换时间（跳频时间）：

指频率源从当前稳定的工作频率变化到另一指定的工作频率，并且达到稳定工作条件（频率误差或相位误差满足一定要求）所需的时间。

★ 输出功率：

指给定条件下输出信号功率的大小，可以用dBm或mW表示。

★ 功率平坦度（功率波动）：

指输出功率在工作频率范围内的变化量，通常以dB表示。