摘要：在深入分析介质谐振压控振荡器的原理的基础上提出一种X波段取样锁相介质振荡器的设计方法。
关键词：X波段；振荡器；设计；介质谐振器
中图分类号：TN7
文献标识码：A
文章编号：1671－7597(2010)0720032－01
0 引言
目前对介质谐振器采用镄相技术使用最为广泛的是取样锁相介质谐振器。这种方法除了DRVCO是高频部件而外，其余都可以用集中参数的电路构成，系统的结构也比较简单，便于实现小型化。其次，取样锁相的突出优点是它的灵活性，例如一个宽带取样鉴相器(0～12GHz)，可以只用一个晶振作为参考信号，对多个频段的YCO直接进行取样鉴相和锁相。不仅如此，取样鉴相已在微波扫频仪、取样示波器、矢量电压表、中频综合测试仪等各种现代仪表中广泛应用，而且在卫星通信地面站中用作本振源等。它的缺点是取样鉴相的效率比较低，致使鉴相斜率比较低，因此必须在环路中加上直流放大器，才有足够的锁定带宽。现在国外从S波段到Ku波段的取样锁相介质振荡器的相噪可达～115dBc／Hz@10kHz。在国内，x波段的取样锁相介质振荡器的输出相位噪声可达-108dBc／Hz@10kHz。
1 X波段取样锁相介质摄荡器的设计
1.1取样锁相振荡器的电路组成。模块选用来自恒温晶振(OCXO)100Mltz作参考信号，经过放大器放大以后进入取样鉴相器，与来自DRVCO的10.66Hz信号进行鉴相。鉴相输出经过环路滤波器后去控制DRVCO，实现环路锁相。
在设计取样锁相介质振荡器有以下的原则需要注意：
1)参考信号(一般选用OCX0)的相位噪声从偏离载波10Hz到100kHz至少要优于系统3dB。2)介质谐振器(DRO)或者压控振荡器(VCO)在偏离载波100kHz范围内要至少比鉴相器差3dB，在偏离载波1MHz要至少比鉴相器好6dB，在偏离载波5到z范围以外要至少比鉴相器好3dB。3)环路低通滤波器的带宽可以选取在250～300KHz，使用一个二阶环。这样一方面有足够大的环路带宽便于环路入锁，同时又对介质谐振器(DRO)或者压控振荡器(VCO)在偏离载波1MHz的位置的相噪有足够的压制。4)介质谐振器(DRO)或者压控振荡器(VCO)要有很好的调谐度，线形调谐的范围至少是两倍频率偏移量。5)环路滤波器中的放大器应该具有很低噪声，很小的直流偏移。
1.2参考放大电路。由于参考信号的输出功率在3dBm左右，但是取样鉴相器的最佳工作功率大概是在17dBm。在电路设计上，为了达到良好的取样效果，获得足够高的鉴相增益，需要能够对参考信号产生足够“尖”的取样脉冲(即产生丰富的谐波分量)，所以在参考信号输入端加了一个放大器。选用了SIRENZA公司的SGA6486，该器件是内匹配MMIC，输入和输出端的阻抗都是50Ω。放大器的增益18dB，满足输出功率17dBm的要求。加入简单的馈电就可以很容易的将信号放大到需求。
但是由于增益相对偏高，直接放大的话输出功率理论上将大于1PdB，所以在对信号进行放大之前首先是进行了衰减，根据需求进入放大器的信号功率应该是在-3dBm左右，所以需要衰减6dB，利用一个简单的π型网络是很容易实现的。最终通过计算得到的电阻值分别是150Ω、38Ω、150Ω。
1.3取样鉴相电路。选择的是M-pulse公司的取样鉴相器MP7100，最高RF频率18G，最大鉴相灵敏度300mV。通常外部参考信号的输出阻抗为500，而取样鉴相器输入端$RD的阻抗很小，仅为4～10Ω，因此二者间的匹配设计是一个关键。目前广泛采用的方法是用射频变压器进行阻抗变换，可以实现较好的匹配效果，射频变压器选用Mini-circuits公司的TC8-1.初级次级阻抗比为1:8，以实现阻抗变换。
1.4环路的计算。
1.4.1确定环路参数。对于环路滤波器，其计算方法与普通锁相环基本相同，选用带放大功能的无源三阶滤波器。三阶无源环路滤波器是在=阶无源滤波器的基础上加了一节RC低通滤波器，来进一步抑制杂散。
1.4.2确定运算放大器。环路的运算放大器采用了ADI公司的OP184，这种放大器极小的抖动电压，较高的带宽增益，快速的转换时间，极低的噪声，单电源供电以及极其稳定的和耐压强特性成为选用它的理由。
1.5电路设计应注意的问题及改进措施。结合上面的所述.电路的每个模块基本上都得到了确定，接下来就是进行电路印制板的设计以及模块腔体的设计。所有的这些工作借助于计算机CAD软件PROTEL99和CAXA2007能够很好的进行。但是在设计的时候要注意模块的指标满足要求或者说达到最优化并不意味着由此所得到的系统输出信号的指标就能达到要求。具体而言。需要从以下几个方面着手：
1)加强总电源与各个模块闻及其各自内部共用电源的滤波与去耦。在一个电子系统中，通常多个元器件共用一个电源。而电源线给交流信号提供了一个通路，使得交流信号通过电源线在器件之间传输，形成了干扰。所以必须在各个元器件之间的电源线上加入滤波部分，滤掉交流干扰，称为去耦。实际应用中通常采用n型网络的去耦电路。采用0.22uF和0.01uF两个电容，是因为0.22uF的电容对高频信号的旁路作用并不好，这是由电容本身的工艺特性决定的。
2)模块电路的每个PCB印制板要精心设计，接地部分必须实行大面积多点接地。在高频电路的设计中，应该采用多点接地的方法。所谓多点接地是指电子设各中各接地点都直接接到距它最近的接地面上，以使接地的引线最短。这样使得接地线上可能出现的高频驻波现象显著减少。实现多点接地就要在印刷电路板上布出一个面积较大的地平面，而此地平面又与接大地的屏蔽外壳大面积接触。
3)各个模块的电路与结构要进行充分的电磁兼容设计。这一方面如果处理的不好对于模块内部则将容易产生自激振荡或杂散信号，对于模块之间则会引起相互串扰，恶化最终扫频源的频谱质量。在实际的应用中可以采取将各模块电路放入铝制加表面导电氧化的全封闭屏蔽盒内，以及将模块内部不同电路放入不同的屏蔽腔内等措施。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一内韶区域。
4)仔细设计与调试各模块间的匹配。对于宽带的情况，可以考虑在各模块的输入输出分别加入Ⅱ型或T型电阻衰减隔离网络。其中衰减量视具体情况而定，一般取1～3dB即可满足要求，干扰严重情况下可以适当加大这一数值。当然，前提条件是其他方法均收效甚微时才采用这一方法，因为对于信号源而言，多加入电阻就等于多引进了噪声源。
2 结束语
进一步优化谐振电路，选择性能更好的放大器和介质谐振器提高振荡器的相位噪声指标是我们下一步可改进的地方。
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