隨著 5G 向 6G 演進、衛(wèi)星通信與毫米波技術(shù)普及，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)正朝著更高頻率、更寬帶寬、更復(fù)雜調(diào)制的方向飛速發(fā)展。無論是商業(yè)領(lǐng)域的地面無線網(wǎng)絡(luò)，還是軍事場景的戰(zhàn)術(shù)視距無線電，都對核心頻率源 —— 本地振蕩器（LO）提出了嚴(yán)苛要求：不僅要突破高頻甚至太赫茲頻段限制，更需具備超低相位噪聲、低雜散與快速調(diào)諧能力。

在當(dāng)前技術(shù)路徑中，直接式（混頻 - 倍頻 - 分頻，MMD）合成器雖能滿足高性能需求，但存在尺寸、重量、功耗（SWaP）過大及成本高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等痛點。而間接式（鎖相環(huán)，PLL）合成器雖具備輕量化、低成本優(yōu)勢，卻受限于環(huán)路帶寬，相位噪聲性能難以與直接式方案抗衡。這一行業(yè)痛點，如今被一項創(chuàng)新技術(shù)成功破解。

雙路徑技術(shù)解鎖超寬環(huán)路帶寬

對于 PLL 合成器而言，要實現(xiàn)低相位噪聲這一核心目標(biāo)，意味著隨著工作頻率升高，其環(huán)路帶寬必須同步拓寬（最終關(guān)注的是分數(shù)環(huán)路帶寬）。通過本文介紹的特殊技術(shù)，可在這類合成器中實現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法達到的超寬環(huán)路帶寬。

此外，采用單位閉環(huán)增益并僅通過（相關(guān) PLL 內(nèi)部的）倍頻機制，也有助于降低相位噪聲。本文將該技術(shù)應(yīng)用于一款示例合成器，該合成器為單環(huán)結(jié)構(gòu)（僅含一個相關(guān) PLL，簡化了設(shè)計流程），屬于配備一階有源比例積分（PI）環(huán)路濾波器的二階二型系統(tǒng)，已實際應(yīng)用于一款高性能接收機的本地振蕩器。

合成器單環(huán) PLL 部分關(guān)鍵組件框圖 顯示合成器單環(huán) PLL 部分的關(guān)鍵組件，其中最核心的是一階雙路徑有源 PI 環(huán)路濾波器，如下圖。

合成器參考 - 輸入輸出 - 電源部分簡化框圖 顯示該部分的關(guān)鍵組件，如下圖。

一階有源 PI 環(huán)路濾波器應(yīng)用廣泛，因此本文介紹的技術(shù)具備較強的通用性。經(jīng)適當(dāng)修改后，該技術(shù)也可應(yīng)用于其他拓撲結(jié)構(gòu)的 PLL。由于涉及高頻環(huán)路動態(tài)特性，示例合成器基于模擬硬件設(shè)計，而非受限于當(dāng)前計算速度的數(shù)字（或計算型）硬件 / 軟件方案。

技術(shù)原理說明

該技術(shù)原理較為簡潔，在討論方法之前，先介紹一些有關(guān)模擬硬件PLL合成器的要點。也就是說，除了定義拓撲的性能規(guī)格外，任何相關(guān)的PLL通常還需要考慮五個主要電路實現(xiàn)因素：

• 分立元件、集成電路（IC）或混合系統(tǒng)方案；

• 電壓輸出型與電流輸出型鑒相器；

• 單輸出與雙輸出（非差分）鑒相器；

• 低電壓輸出與高電壓輸出鑒相器；

• 低電壓控制與高電壓控制壓控振蕩器（VCO）。

本文介紹的技術(shù)適用于 “低電壓輸出鑒相器 + 高電壓控制 VCO” 的組合場景，涵蓋眾多重要應(yīng)用領(lǐng)域 —— 包括本文的高性能示例合成器。高電壓 VCO 之所以能實現(xiàn)低相位噪聲（和低參考雜散）的優(yōu)異性能，是因為其壓控靈敏度（Kv）相對低電壓 VCO 更低。

該技術(shù)在示例合成器（單環(huán)、二階二型系統(tǒng)、一階有源 PI 環(huán)路濾波器）中的應(yīng)用方式如下：將傳統(tǒng)基于單個有源器件（通常是運算放大器）的環(huán)路濾波器，拆分為比例路徑和積分路徑兩條獨立的并行路徑，每條路徑使用專用的有源器件，且器件帶寬與自身功能相匹配；隨后將兩條路徑的輸出重新組合（求和），生成統(tǒng)一的 VCO 控制信號。該技術(shù)被稱為 “雙路徑” 技術(shù)，對應(yīng)的環(huán)路濾波器稱為 “一階雙路徑有源 PI 環(huán)路濾波器”。

當(dāng)無法找到兼具超高增益帶寬積、極低等效電壓和電流噪聲、以及高直流供電電壓能力的運算放大器，來同時承擔(dān)比例放大器和積分放大器的角色時，這種雙路徑技術(shù)就顯得尤為必要 —— 這也正是本文示例合成器面臨的實際情況。該方法雖已問世多年，但此前尚未以本文所述的方式得到應(yīng)用。不過基于前文所述的技術(shù)趨勢，該方法有望得到更廣泛的推廣。

應(yīng)用場景與性能指標(biāo)

如前所述，本文的示例單環(huán) PLL 合成器已實際應(yīng)用于一款高性能超外差接收機，作為高側(cè)第一本地振蕩器（1st LO）。該接收機具備高頻、寬帶、復(fù)雜解調(diào)及快速調(diào)諧特性，而合成器的核心設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)盡可能低的相位噪聲 —— 由于第一本地振蕩器是影響接收機整體相位噪聲的主要因素，這一指標(biāo)至關(guān)重要。性能指標(biāo)詳情如下：

• 工作頻段：22.5-39.9 GHz（微波高端 / 毫米波低端）；

• 信道間隔 / 工作頻率數(shù)量：200 MHz / 88 個；

• 參考頻率 / 范圍：400 MHz（固定）；

• 相位連續(xù)性：相鄰信道步進時相位和頻率連續(xù)；

• 穩(wěn)定性：相位裕度（fm）> 45°，增益裕度（Gm）> 10 dB；

• 單邊帶（SSB）相位噪聲：在 100 Hz 至 40 MHz 偏移頻率范圍內(nèi)積分值 < 350 毫度；

• 雜散特性：載波 ±500 MHz 范圍內(nèi)≤-60 dBc，載波 ±（500-2000）MHz 偏移范圍內(nèi)≤-90 dBm；

• 切換時間：任意兩個隨機信道間切換時間 < 25 微秒（從非特定瞬態(tài)過沖至穩(wěn)態(tài)頻率偏移 < 100 kHz，全工作頻段內(nèi) < 5.75 百萬分比濃度（PPM），相鄰信道間 < 500 PPM），且輸出功率需落入 + 12±4 dBm 區(qū)間；

• 輸出功率與平坦度：全工作頻段內(nèi)輸出功率 + 12±4 dBm（無需有源功率均衡）；

• 直流工作功耗：最大 12.5 W；

• 工作環(huán)境：外殼工作溫度范圍 - 20 至 + 70℃。

由于該合成器工作頻率高、性能要求嚴(yán)苛，所有組件均采用分立元件，且均為封裝表面貼裝類型（未采用混合芯片引線技術(shù)）。以上僅為電氣和環(huán)境指標(biāo)，未包含機械指標(biāo)。