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频率合成器的现状及发展

江　波, 穆晓华, 蒋创新, 袁小平

(中国电子科技集团公司第26 研究所, 重庆400060)

摘　要:这篇文章介绍了频率合成器在国内外的发展现状, 总结目前国内各种频率合成器中所采用的频率合成设计技术, 并根据技术的发展分析了频率合成器的发展趋势。

关键词:频率合成器;锁相环;直接数字频率合成器

0 引言

在空间通信、雷达测量、遥测和远程控制、射电天文学、无线电定位、卫星导航、数字通信等电子系统中的超外差接收的模式使得频率合成器成为电子系统的核心，它也是决定系统性能的关键设备。

频率合成技术是电子设备如雷达、导航、通信和空间电子中的关键技术之一。频率合成器的性能直接决定了上述系统的性能，所以世界各地的国家已经付出大量的努力来进行频率合成器的研究与开发。

1 国外发展现状

随着微电子技术、计算机技术、信号处理技术的不断改进，频率合成技术在国外也得到了极大的提升，主要体现在以下三个方面：

1）各类高性能频率合成器芯片已经相继推出。AD公司推出一系列低相位噪声的锁相环芯片和数字频率合成器，最高锁相环芯片频率高达8GHz,其中AD9910芯片与AD9957芯片的时钟速度达到1GSPS^[1]。

马克西姆集成产品公司已经推出了带有9路低压正发射极耦合逻辑时钟输出和智能动态时钟功能开关的低抖动频率合成器MAX3678。该产品的特点是以66.6 MHz的低基准频率作为时钟输入，以333 MHz的高频率作为时钟输出。低噪声压控振荡器和锁相环结构适于实现0.30ps的RMS超低振动（从12 kHz至20 MHz）和-60dBc的噪声抑制^[2]。

美国国家半导体公司（NS）发布了同行业最低噪音高度集成的频率合成器.这款Power Wise LMX2541芯片的均方根噪声在2.1GHz的频率上低于2毫弧度，在3.5 GHz的频率上低于3.5毫弧度.此外，锁相环在带内和杂散信号中的噪声比同类产品低10dB^[3]。

随着大规模集成电路小数分频技术水平的出现和不断改进，由于同时考虑了时间锁定和频率间隙的性能，这种频率合成技术得到了广泛的应用。加拿大的Sky works公司生产的单片集成锁相环芯片CX72300具有小频率间隔（采用18小数分频时频率间隔小于100赫兹）、低相位噪声（采用Sigma;-Delta;调制技术相位噪声低达-90dBc/Hz）和宽频带的特性，这使得它可以外接环路滤波器和压控振荡器构成高性能的锁相环频率合成器，这些都得益于18位Sigma;-Delta;调制技术的低噪声数字小数分频器，像Hittite、NS和AD等公司也都先后推出了小数分频锁相环芯片。

2)高速宽带频率合成器模块。由美国的宽带系统公司提供的频率合成器，频率范围从2 GHz到18 GHz，可以提供的频率转换速度快于3mu;s且功耗低于18 瓦(DC)。典型的单边带相位噪声水平分别是-103dBc /Hz(载频plusmn;10 kHz),-107dBc/Hz(载频plusmn;100 kHz)和-121dBc/Hz(载频plusmn;1 MHz)。Herley CTI是一个有着悠久历史的频率合成器供应商,除了丰富的宽带产品,Herley还提供了指定的应用程序BBS频率合成器,例如,BBS-600(4400-6000 MHz的操作频率范围)适于C段带宽的卫星通信系统。至于9MHz到2200MHz和18MHz到4400MHz频率范围的频率合成器的典型相位噪声水平分别是-87dBc/Hz 到-91dBc/Hz(1 GHz的载频plusmn;100 Hz);-129dBc/Hz到-136dBc/Hz(1 GHz载频plusmn;100 kHz)，典型的相位噪底为-153dBc/Hz。

Elcom技术公司可以提供各种各样的窄带和宽带频率合成器。生产线包括从0.1 GHz 到40 GHz,存储于19英寸的UFS和最广泛的行业频率范围:典型的产品就是UFS-40。Elcom甚至提供定制设计频率高达5.4 GHz类型的产品，其他UFS生产线包括0.3 GHz到3 GHz(UFS-3),0.3 GHz到18 GHz(UFS-18)和0.1 GHz到20 GHz(UFS-20)。UFS-40具有1Hz的频率分辨率,频率切换速度是250ns,输出功率是 10dBm。整个频率范围内平坦plusmn;2 dB,相位噪声分别是-100dBc/Hz(10 GHz载频plusmn;100 Hz),-112dBc/Hz(10 GHz载波频率plusmn;10 kHz),-133dBc/Hz(10 GHz载频plusmn;1Hz),典型的杂散和谐波是-65dBc和-50dBc。

3）高度集成和小型化的频率合成器。为了满足现代通信系统中频率源小型化的要求,制造商们纷纷绞尽脑汁设计出更紧凑小巧结构的频率合成器。

例如,由EM Research公司生产的CLX系列的频率合成器的固定频率范围从200 MHz到4 GHz,采用19毫米times;19毫米times;6.5毫米的表面贴片封装技术。2450 MHz的频率合成器输出功率是 7dBm，伴随有-30dBc和-75dBc的谐波分量和杂散分量。相位噪声在载波为10 kHz时是-102dBc/Hz,载波为100 kHz时只有-128dBc/Hz。

另一个由Synergy Microwave 公司提供的FSH系列频率合成器几乎与一个振荡器的大小相当。FSH250300mm1M频率合成器的维度恰好是1.040英寸times;1.145英寸times;0.230英寸,频率覆盖范围为2500 MHz到3000 MHz，频率步长为1 MHz。工作在10 MHz的参考频率上时,典型的谐波分量和杂散分量为-25dBc 和- 90dBc,输出功率为 8dBm或者更高^[4]。

意法半导体(ST)公司提供的集成有压控振荡器的单芯片频率合成器频率高达5 GHz。STW81103系列的频率合成器是由0.5micro;m硅锗Bi CMOS工艺半导体加工而成的、其覆盖频率范围分别有以下几种，分别是625.0MHz-762.5MHz,1087.5-1525.0MHz和2175 -3050 MHz,以及4300 MHz到5000 MHz和200 kHz的步进长度。这种频率合成器只有5毫米times;5毫米times;1毫米的尺寸大小且频率转换速率为150micro;s，操作直流电压为 3.3 V。

Spinnaker Microwave公司的SMS-B宽带频率合成器已应用于要求低噪声而稳定的信号源的军事和商业中，它的尺寸大小是2.9英寸times;3.0英寸times;0.7英寸,功耗为6 W，调优率是50mu;s或者更快，伴随有10 MHz的优化步长，谐波分量大约是-60dBc。当操作在-40 -- 85℃时,载波频率为1 kHz时的相位噪声是-80dBc/Hz。

TRAK公司生产的SYN146系列的直接频率合成器具有紧凑小型的尺寸(6.69英寸times;5.24英寸times;4.18英寸),快速频率切换速度（低于500纳秒)的特性，提供从9.25至19.0 GHz频段的输出信号。在载波频率为1kHz时典型的相位噪声是-90dBc/Hz;在载波频率为10kHz时典型的相位噪声是-112dBc/Hz。

2 国内频率合成器的最先进水平

在国内只有少数机构从事锁相环和直接数字式频率合成器芯片相关的研究,并且与国外的频率合成器产品相比之下，我们发现国内与国外的频率合成技术在工程水平存在相当大的差距。

例如，比较美国的AD Inc公司生产的ADF系列产品和中国电子科技集团公司第24研究所生产的由SB3236模型发展来的锁相环芯片，发现后者存在更高的本底噪声。

但在另一方面，成都国腾电子科技有限公司生产的GM48XX系列产品和GM49XX系列产品已经在实际应用中得到认证并且得到了消费者的认可。这一系列产品的杂散水平和信噪比已经达到国外同类产品的先进世界水平。成都国腾电子科技有限公司生产的频率合成器包括整数和小数频率合成器、射频/中频的双频率合成器、宽带频率源、时钟分配器和高速分频器等。

GM4954芯片的频率精度已达到1/232和一个14位，具有差分电流输出的400 MSPS ADC(模拟数字转换器）已嵌入GM4954芯片，它可以在1〜160 MHz的频率范围内产生正弦和余弦波形、实现频率调制、相位调制和幅度调制，同时具有4倍〜20倍的倍频器已经被集成到GM4954芯片中，因而不需要高频率的时钟。该产品的质量已经达到到工业级水平。

GM4852芯片是一个频率精度为1/248的高性能直接数字频率合成器，包含两个高速和高性能12位和300 MSPS DAC（数字模拟转换器）嵌入式芯片,它可以在1-120 MHz的频率范围内产生正弦和余弦波形、实现频率调制、相位调制和幅度调制，同时具有4倍〜20倍的倍频锁相环已经被集成到GM4852芯片中，因而不需要高频率的时钟。GM4852芯片的功耗很低，低于同类产品的1/3，该产品的质量已达到工业级水平。

为了满足电子设备对频率合成器的要求，国内的混合频率合成技术在现代通信与电子系统应用程序方面不断地发展。这种技术结合了直接频率合成技术、锁相环频率合成技术和直接数字频率合成技术一起来弥补单一频率合成技术的不足之处,从而实现更好的频率合成效果。

中国电子科技集团公司第26研究所从1980年开始发展微波频率合成技术，国内为各种各样的电子系统和设备已经制造生产了大量的相关产品。这些产品包括超宽带频率合成器、频率捷变源和低相位噪声和高杂散抑制的频率合成器等。

超宽带频率合成器的典型规格如下:操作频率范围是从0.8 GHz到18 GHz,频率步长可以根据要求调整,相位噪声在18 GHz频率上是-90dBc/Hz @1 kHz ,频率转换时间小于20mu;s(频率跳跃在任意点)并且杂散抑制比优于65dBc^[5]。

频率捷变源的特性如下：具有1 G Hz的频带宽度,在5 GHz的频率上相位噪声为-105dBc/Hz @1 kHz的,频率转换时间小于100ns(频率跳跃在任意点)同时杂散抑制比优于75dBc。

具有低相位噪声的频率合成器工作在X波段，在10 GHz的频率上相位噪声为-110dBc/Hz @1 kHz，杂散抑制优于70dBc，变频时间小于20微秒（频率跳跃在任意点）。

国内频率合成技术规范总结如下:

1)结合锁相环路技术与直接频率合成技术的宽带频率合成器。宽带频率合成器可以通过使用一个锁相环产生具有确定带宽的信号,然后传播信号来实现，即采用倍频和分频的方式来处理信号。宽带频率合成器的工作频率的特点如下：工作在2 -18 GHz的频率范围，频率步进是5 MHz,在18 GHz的载波频率上的相位噪声为80dBc/Hz @1 kHz,频率转换时间小于100mu;s并且杂散抑制比优于65dBc。

当对相位噪声和频率转换时间的要求不那么严格时,可以采用这种频率合成方法来实现更宽的频率带宽。然而,频率步进不能很小，否则,杂散抑制性能会变得糟糕。

1. 低相位噪声频率合成器得益于多环路锁相技术和混频处理技术。当带宽只有几百兆赫兹到一千兆赫兹时,低相位噪声频率合成器可以通过利用多环路锁相技术和混频处理技术来实现，其中，1 MHz的最小频率步长可以通过使用这种结合技术来实现。这种低相位噪声频率合成器的频率转换时间大约是10mu;s,在8 GHz的载波频率上的相位噪声为-100dBc/Hz @1 kHz。

这种技术的关键点在于高频率范围内的低相位噪声是通过使用具有大的频率步进的锁相环来实现的，而低频范围内的信号是通过使用具有小的频率步进的锁相环来产生的，那么根据这一原理我们所需要的频率范围可以通过混合技术来获得^[6]。

1. 频率捷源技术。所谓频率捷源指的是频率转换时间小于几微秒的频率合成器。通常情况下，当频率转换时间是在1〜3微秒之间时，频率捷变源可以通过结合直接数字频率合成技术与锁相环技术来实现;而当频率转换时间小于1微秒时，频率捷变源可以通过直接频率合成技术来实现。

直接数字式频率合成器和锁相环的结合是指由直接数字式频率合成器产生的一定带宽的频率信号（例如，带宽为几十兆赫兹的频率信号杂散抑制可高达70dBc），然后可以通过结合多个锁相环和混合开关实现频率捷变源。至于直接频率合成技术,是由梳状谱信号发生器产生一系列的频率信号,生成一系列频率点的信号,然后通过滤波和开关控制,频率信号进行分频、倍频和混频。这种技术的优点在于频率转换时间很短,缺点则是该频率合成器的尺寸过大以及杂散抑制比较困难,一般来说,杂散抑制高达75dBc。

4）小频率步进、宽带低相位噪声的频率合成技术。具有低相位噪声和小频率间隔的宽带频率合成器通常是通过结合直接数字式频率合成技术、锁相环技术和直接频率合成技术来实现的。典型的设计方法是由直接数字式频率合成器和锁相环混合产生信号,然后混合信号作为另一个锁相环的参考输入,那么这个锁相环就可以产生一个宽带信号。这种频率合成器的频率精度是由直接数字式频率合成器决定的。由于锁相环与直接数字式频率合成器的结合使用了更高的相位检测频率，因而可以实现低相位噪声。与此同时,第一个锁相环的频率转换时间可以达到小于10mu;s，最后一个锁相环的频率转换时间也可以限制在大约10mu;s，因此最终的频率转换时间小于20mu;s^[7]。

3频率合成器的发展趋势

根据国内外对频率合成器的要求,我们对频率合成器的发展趋势进行了如下总结:

1)高度集成的锁相环频率合成器芯片。

2)

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