第 38 卷第 3 期 2008 年 5 月 东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol 38 No 3 May 2008 D 波段双环锁相信号源性能仿真 陈墨姜益平徐金平 ( 东南大学毫米波国家重点实验室, 南京 210096) 摘要 : 利用 ADS 软件建立了 D 波段固态器件双环锁相信号源系统的仿真模型, 分析了双端口谐波振荡器 谐波混频器等主要功能模块引入的相位噪声对锁相系统性能的影响. 通过优化设计环路系统参数, 合理设置 ADS 包络仿真器的控制参数, 实现了对 0 15THz 半导体固态源的锁定, 表明了双环锁相技术应用于 D 波段的可行性. 在此基础上, 通过时域和频域 2 种分析方法对锁定状态下 0 15THz 输出信号的相位噪声进行了预估. 该仿真模型也适用于更高频段的太赫兹双环锁相系统的仿真分析, 可为太赫兹锁相系统研制提供有效的分析与设计手段. 关键词 : 毫米波锁相源 ; 双环锁相技术 ; 相位噪声 ; 压控振荡器中图分类号 :TN75 文献标识码 :A 文章编号 :1001-0505(2008)03 0371 05 SimulationofD banddouble loopphase lockedsystem ChenMo JiangYiping XuJinping (StateKeyLaboratoryofMilimeterWaves,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:ThecircuitmodelforaD banddouble loopphaselockedsystemhasbeensetupbyusing advanceddesignsystem (ADS).Simulationsforthefrequencylockingproceshavesuccesfuly fulfiledbyproperlysetingthecontrolingparametersofadssimulator.phasenoiseofthelocked 0 15THzsignalhasbeenestimatedbyconsideringthephasenoisesintroducedbymainmodulesin thisphase lockedsystem.theperformanceparametersofthedouble loopphase lockedsystem can readilybeevaluatedandoptimizedusingtheproposedmodel,whichisesentialforthedesignof phase lockedsystemsatd bandandthosehigherthanit. Keywords:milimeter wavephase lockedoscilator;doublephase lockedloop;phasenoise;volt agecontroledoscilator 利用毫米波高端 Gunn 振荡器 Schotky 倍频器等固态器件, 通过基波锁相 谐波提取技术或直接倍频技术, 是目前实现太赫兹低端频段小功率锁相信号源的有效方法 [13]. 美国 Faran 技术公司利用分谐波混频技术, 大大地降低锁相环路的工作频率, 有效地实现了对毫米波 Gunn 器件振荡器的相位锁定, 研制出覆盖 60~325GHz 频段范围的 PLO0X 系列锁相信号源产品, 其稳定度在 0~50 温度范围内达到 ±10-6. 国内近年来相继实现了 8,4 和 3mm 频段的锁相信号源, 电子科技大学于 2006 年利用双环锁相技术研制成功了 95GHz 毫米波锁相信号源, 相位噪声达到 -59dBc/Hz@ 10kHz [45], 这是目前国内所报道的最高频率的固 态锁相信号源. D 波段 (110~170GHz) 频率覆盖范围宽达 60 GHz, 蕴涵极大的频谱资源, 研究该波段的锁相信号源对于促进该波段的系统应用研究具有重要意义. 与 W 波段 (75~110GHz) 以下的毫米波锁相源相比,D 波段固态锁相源系统中的毫米波压控振荡器 (VCO) 谐波混频器及其他功能模块的工作频率更高, 模块的电性能和环路性能发生了很大的变化. 为了研究开发该波段的锁相源, 首先需要对系统的技术方案进行充分的分析论证. 基于现代仿真软件的建模与仿真技术是系统技术方案可行性分析和系统参数优化设计的重要手段. 本文利用 ADS 软件, 通过建立 D 波段固态器件双环锁相源 收稿日期 :2007 11 02. 作者简介 : 陈墨 (1982 ), 女, 博士生 ; 徐金平 ( 联系人 ), 男, 博士, 教授, 博士生导师,jpxu@seu.edu.cn. 基金项目 : 国家自然科学基金委创新群体基金资助项目 (60621002) 国家自然科学基金资助项目 (60471017). 引文格式 : 陈墨, 姜益平, 徐金平.D 波段双环锁相信号源性能仿真 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,2008,38(3):371 375.
372 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷 系统的仿真电路模型并进行仿真分析, 研究双环锁相技术在该波段实现的可行性和具体的优化设计问题. 基于所建立的双端口 VCO V 波段谐波混频器 X 波段本振信号源等主要功能模块的仿真模型和系统电路仿真模型, 通过优化环路参数和仿真器的控制参数, 成功实现了对锁相系统时域锁定过程和相位噪声性能的仿真分析. 利用此仿真电路模型, 可以根据信号源系统的性能指标要求, 合理分配各个主要功能模块的技术指标, 并对环路各项技术参数进行优化设计. 1 双环锁相信号源系统仿真模型 态谐波振荡器作为毫米波 VCO, 重点研究基波锁相 谐波输出的锁相源方案. 由于待锁定 D 波段振荡源的基波信号频率远高于晶振参考源的频率, 需要采用双环路锁相的技术路线, 即微波锁相环和毫米波 (D 波段固态源的基波 ) 中频锁相环的双环锁定方案. 通过工作在微波频率的锁相环路给谐波混频器提供低相位噪声的本振信号, 其高次谐波分量与 D 波段固态源基波信号混频产生几百兆赫兹的中频信号, 在中频锁相环路中利用与参考晶振鉴相的输出信号对 D 波段振荡器进行相位锁定. 上述系统方案的基本原理框图如图 1 所示. 本文所研究的 D 波段固态锁相源系统采用固 图 1 D 波段双环锁相信号源系统原理框图 D 波段双环锁相系统主要由 D 波段双端口 VCO 毫米波谐波混频器 微波本振源等功能模块构成, 下面首先分别建立各个功能模块 ADS 电路仿真模型. 1 1 D 波段压控振荡器 D 波段 VCO 拟采用可以同时输出基波和谐波信号的双端口谐波振荡器, 由基波输出端耦合出适当电平的信号用于环路锁相, 达到谐波信号的稳定输出. 采取基波 VCO 与倍频器级联的方式来建立双端口谐波振荡器的简化的 ADS 电路模型, 同时, 利用相位调制器, 将自由振荡状态下振荡器的相位噪声调制到 VCO 的输出信号中, 模拟二端口振荡器的基波输出信号. 在环路仿真中, 主要考察了振荡器基波信号的锁定过程和相位噪声性能. 在理想情况下, 二次谐波输出信号的相位噪声比基波信号的相位噪声增加 6dB. 1 2 微波本振源微波本振信号源采用 Hitite 公司 HMC583LP5 型 VCO 提供 12GHz 待锁信号, 利用 带有分频器的 ADF4108 型集成鉴相器, 先对 VCO 的二分频输出信号和 100MHz 晶振参考信号进行适当比例的分频, 再鉴相, 获得反映两者相位误差的控制信号, 对 VCO 的偏压进行调节, 实现 VCO 输出信号的相位锁定. 仿真得到的锁定状态下输出信号的相位噪声及环路主要器件对输出信号相位噪声的贡献如表 1 所示, 可以看出, 鉴相芯片的本底噪声是影响微波本振源相位噪声性能的关键因素. 表 1 微波本振信号源相位噪声特性 输出信号 鉴相芯片 压控振荡器 参考晶振 dbc/hz 环路滤波器 0 1-83 4-88 39-144 5-86 52-150 6 1-88 4-88 38-136 4-115 4-134 0 10-88 3-88 33-126 4-126 4-114 0 100-85 3-85 71-115 4-125 7-95 21 1000-106 0-108 8-131 3-148 9-109 2 1 3 谐波混频器 V 波段 6 次谐波混频器电路版图模型如图 2 (a) 所示, 该混频器结构简单, 实现难度较小. 利用
第 3 期 陈墨, 等 :D 波段双环锁相信号源性能仿真 373 ADS 优化工具, 将射频 本振和中频匹配电路的尺寸作为优化变量, 通过谐波平衡法对混频器的变频损耗进行优化 [6]. 由图 2(b) 所示结果可以看出, 在约 5GHz 带宽内谐波混频器的变频损耗小于 25 db, 为中频锁相环路提供了良好的输入信号. 宽和相位裕度要求对环路滤波器的参数进行优化, 优化得到的环路带宽为 28 18kHz, 相位余量为 49 28. 为了确保环路稳定, 通常要求相位余量在 30 ~60 之间, 上述优化结果满足锁相系统的稳定性要求. 2 2 环路时域特性根据优化所得环路系统参数, 对图 3 所示的 D 波段双环锁相系统时域仿真模型的环路参数进行设置, 其中各主要功能模块性能参数如表 2 所示. 表 2 系统参数设置 参考晶振频率 /MHz 相位噪声 /(dbc Hz -1 ) VCO 推频系数 / (MHz V -1 ) 100-80dBc@10Hz,-120dBc@100Hz, -140dBc@1kHz,-140dBc@100kHz 200 图 2 V 波段 6 次谐波混频器仿真结果 2 双环锁相系统性能仿真 2 1 环路传输特性利用环路传输特性仿真模型, 按照系统环路带 合理选取 ADS 包络仿真器的控制参数, 对 0 15THz 双环锁相系统的时域特性进行仿真, 其结果如图 4 所示. 图 4(a) 描述了 VCO 基波输出信号的频率随时间的变化情况, 在微波本振源稳定的情况下, 经过 40μs, 振荡器的基波信号频率稳定在 72 8GHz, 实现了锁定. 锁定状态下 VCO 基波输出信号频谱如图 4(b) 所示. 上述仿真结果表明了所采用的 D 波段双环锁相技术方案的可行性和所设置的环路系统参数的有效性. 由于谐波振荡器的推频系数比较高 (200 MHz/V), 各功能模块引入的噪声对环路性能产生的影响不可忽略, 为了获得较为准确的仿真结果, 本文建立的时域仿真模型中, 各功能模块的电路模型正确描述了各自的相位噪声特性. 因此, 图 4 所示 图 3 D 波段双环锁相系统时域仿真模型 仿真结果与文献 [7] 中未考虑环路主要功能模块相位噪声的仿真结果相比, 其精度得到了提高. 2.3 环路噪声特性相位噪声是锁相信号源的重要性能指标之一. 在短毫米波段, 由于测量设备的限制, 锁定状态下输出信号相位噪声的直接测量通常是比较困难的. 本文利用 ADS 仿真模型, 采用频域和时域 2 种方 法对锁定状态下基波输出信号的相位噪声进行估算. 方法 1 在锁定状态下对 VCO 鉴相器等主要功能部件的相位传输特性做合理的线性近似, 对文献 [8] 中混频器的相位传输模型作了必要改进, 使之适用上述 6 次谐波混频器相位噪声的分析. 在此基础上建立了图 5 所示的环路线性相位噪声模型.
374 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷 图 4 双环锁相系统时域特性仿真结果 图 5 D 波段双环锁相系统线性相位噪声模型 锁相环路中存在的各种噪声源与干扰, 可以认为是统计独立的, 分别求出各噪声源对环路的影响, 再进行叠加, 得到下式所示基波信号带内噪声功率谱密度 : ( ) S Φo (f)=s Φref (f) M 2 + [ S N (f Φdn )+S Φdm (f)+ S Vpd (f)+s Vlp (f) ] M 2 +k 2 S I 2 Φlo (f)+s Φmixer (f) (1) d 根据此线性化的相位噪声模型和式 (1) 所描述的噪声功率叠加关系, 利用 ADS 软件, 建立了双环锁相系统噪声仿真模型, 仿真所得半导体振荡器基波信号相位噪声如图 6 所示. 可见, 自由振荡状态下 VCO 输出信号相位噪声的功率主要集中在低频部分, 锁相环路对其呈现高通特性, 适当选择环路滤波器的带宽, 可使 VCO 的噪声得到良好的抑制. 在环路带宽以内, 输出信号的相位噪声主要由微波本振信号源的相位噪声决定, 而环路带宽以外, 输出信号的相位噪声主要取决于自由振荡的半 图 6 双环锁相系统相位噪声仿真结果 导体振荡器的相位噪声. 方法 2 由于时域仿真模型中, 关键器件的电路模型描述了各自的相位噪声特性, 可以由锁定状态下 VCO 基波输出信号中直接解调出相位噪声信息. 由表 3 数据可以看出,2 种方法仿真所得锁定状态下 VCO 基波和二次谐波信号的相位噪声略有差异. 其中方法 1 对 VCO 鉴相器 谐波混频器等器件的相位传输特性作了线性近似, 可以通过频域方法快速获得锁定信号的相位噪声, 以及各功能模块引入的相位噪声对系统总体相位噪声的贡献, 对 D 波段锁相源的优化设计具有指导意义. 方法 2 则全面考虑了鉴相器 谐波混频器等主要功能部件的非线性特性, 可以得到相对准确的相位噪声信息, 但是需要更多的计算机内存和更长的仿真时间. 表 3 锁定后的相位噪声 dbc/hz 方法 1 方法 2 基波信号谐波信号基波信号谐波信号 0 1-31 61-25 61-27 9-21 9 1-47 93-41 93-43 6-37 6 10-59 6-53 6-65 4-59 4 100-71 4-65 4-67 3-61 3 1000-95 5-89 5-87 6-81 6 根据表 3 的仿真结果,0 146THz 锁相源的相位噪声约为 -59 4dBc/Hz@10kHz, 这一仿真结果尚未考虑电阻等无源器件的热噪声, 实际应用中锁相源的相位噪声将有所增大 [9]. 为满足雷达 通
第 3 期 陈墨, 等 :D 波段双环锁相信号源性能仿真 375 信 测量系统等对信号源相位噪声要求比较高的系统应用要求, 需要进一步改善锁相源的相位噪声. 从图 6 所示曲线可以看出, 优化微波本振源的相位噪声可以有效改善锁相源的相位噪声. 微波锁相信号源的相位噪声主要受限于鉴相芯片的本底噪声, 在现有技术水平下, 改进锁相芯片的性能比较困难. 可以采用倍频电路, 由晶体振荡器通过 120 次倍频, 实现 12GHz 低相位噪声微波信号源. 通过采用合适的电路结构, 合理设计匹配电路, 可以较好地抑制倍频电路引入的噪声 [10], 直接根据倍频关系和晶体振荡器的相位噪声, 比较准确地估算微波倍频源的相位噪声. 近似计算所得 12GHz 微波锁相源和微波倍频源的相位噪声估算值结果见表 4, 可见, 在偏离载波 10kHz 处, 微波倍频源的相位噪声可以比微波锁相源改善约 10 db. 根据微波倍频源的相位噪声, 对锁定状态下 0 15THz 输出信号的相位噪声进行仿真, 其结果如表 4 所示. 用倍频源做微波本振源时, 系统的相位噪声可以达到 -73 6dBc/Hz@10kHz, 比用锁相源做微波本振源时改善约 14dB. 通过采用超低噪声恒温晶体振荡器 (-168dBc/Hz@10kHz), 可以进一步降低 D 波段锁相信号源的相位噪声. 表 4 微波本振源和 D 波段锁相源的相位噪声 微波本振源相位噪声 微波锁相源 微波倍频源 dbc/hz D 波段锁相源相位噪声 采用微波锁相源 采用微波倍频源 0 1-83 4-78 4-21 9-35 3 1-88 4-98 4-37 6-51 0 10-88 3-98 4-59 4-73 6 100-85 3-98 4-61 3-80 6 1000-106 -98 4-81 6-80 8 3 结语 本文利用 ADS 软件, 建立了 D 波段双环锁相系统的一体化仿真模型, 通过合理设置环路系统参数和 ADS 仿真器控制参数, 实现了对 0 15THz 半导体固态振荡器的锁定, 验证了 D 波段双环锁相方案和所设计环路系统参数的有效性, 并对锁定状态下输出信号的相位噪声进行了估算, 获得了对 D 波段锁相源的研制有指导意义的性能参数和设计参数. 该仿真模型可以推广应用于更高频段的太赫兹双环锁相源系统的仿真分析, 可为太赫兹低端频段的固态锁相源的研制提供分析与设计手段. 参考文献 (References) [1] RobertG D,MichaelJL,MaxJL,etal.Phase lockedmilimeter wavetwo portsecond harmonicgunn oscilators[j].ieeetransactionsonmicrowavetheo ryandtechniques,1991,39(10):1746 1753. [2] 徐锐敏, 延波, 李积微. 小型 Ka 频段锁相倍频源 [J]. 电子科技大学学报,2001,30(6):555 558. XuRuimin,YaoBo,LiJiwei.SmartKa band phase lockedandfrequencymultiplyingsource[j].journalof UESTofChina,2001,30(6):555 558.(inChinese) [3] BaoJingfu,HoSongbai,ShiYue,etal.Low noisew bandphaselockedloops[c]//1997asiapacificmicro waveconference.hongkong,china,1997:321 324. [4] 马海虹, 唐小宏, 吴涛.95GHz 低相噪锁相源技术研究 [J]. 微波学报,2007,23(6):58 60. MaHaihong,TangXiaohong,WuTao.Studyof95GHz lowphasenoisepllfrequencysynthesizers[j].jour nalofmicrowaves,2007,23(6):58 60.(inChinese) [5] 马海虹, 唐小宏, 何宗锐, 等.3mm 锁相源研究及系统应用 [J]. 微波学报,2006,22(3):58 61. MaHaihong,TangXiaohong,HeZongrui,etal.The studyandapplicationof3 mm PLLfrequencysynthe sizer[j].journalofmicrowaves,2006,22(3):58 61.(inChinese) [6] 姜益平, 陈墨, 徐金平. 毫米波谐波混频器电路仿真设计及其应用 [C]//2007 年全国微波毫米波会议. 宁波,2007:831 834. JiangYiping,ChenMo,XuJinping.Circuitsimulation anddesignofmilimeter waveharmonicmixerandits application[c]//microwave&milimeter wavesympo siumofchina.ningbo,2007:831 834.(inChinese) [7] 陈墨, 姜益平, 徐金平.0 15THz 双环锁相源系统仿真研究 [C]//2007 年全国微波毫米波会议. 宁波,2007: 1423 1426. ChenMo,JiangYiping,XuJinping.Simulationstudyof a0 15THzdouble loopphase lockedsystem[c]//mi crowave&milimeter wavesymposium ofchina.ning Bo,2007:1423 1426.(inChinese) [8] KroupaV.NoisepropertiesofPLLsystems[J].IEEE TransactionsonCommunication,1982,30(10):2244 2252. [9] 邓贤进, 李家胤, 张键. 锁相频率合成器相位噪声的精确估计与仿真 [J]. 电路与系统学报,2006,11(5):128 131. DengXianjin,LiJiaying,ZhangJian.Accuratephase noisepredictionandsimulationinpllsynthesizers[j]. JournalofCircuitsandSystems,2006,11(5):128 131.(inChinese) [10] 陈捷平, 朱君范.S 波段低相位噪声参考源 [J]. 固体电子学研究与进展,1995,15(4):391 395. ChenJieping,ZhuJunfan.S bandlowphasenoiseref erencesource[j].research&progresofsse,1995, 15(4):391 395.(inChinese)