一種基于hbar的低相位噪聲頻率合成系統及方法
【專利摘要】本發明提供一種基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，所述系統包括HBAR諧振器、放大器和濾波器；所述HBAR諧振器用于產生一系列聲學梳譜信號；所述放大器用于對所述聲學梳譜信號的功率進行放大；所述濾波器用于對功率放大后的聲學梳譜信號進行濾波，提取出L波段或S波段的聲學梳譜信號，并將提取出的L波段或S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器；由此所述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，并通過所述放大器輸出L波段或S波段目標頻率信號。本發明還提供一種基于HBAR的低相位噪聲頻率合成方法。本發明提供的合成系統和方法中，不需要經過多次倍頻和混頻處理，因而電路設計比較簡單，頻率合成器體積小型化較易實現。
【專利說明】一種基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統及方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于微波毫米波領域，具體涉及到聲學梳譜信號產生和處理技術，是一種 用于小型化和低相噪頻率源的微波頻率合成系統及方法。

【背景技術】
[0002] 傳統微波信號的產生和處理技術是通過低頻的晶體振蕩器產生穩定、準確的單頻 信號，然后對該信號進行倍頻、分頻和混頻等處理之后產生一系列的目標頻點信號。
[0003] 但是，本發明的發明人經過研宄發現，在現有倍頻和混頻處理的過程中，常常會引 起相位噪聲的附加和惡化，如100MHz的晶振信號1kHz處的相位噪聲為-155dBc/Hz，考慮低 相位噪聲設計通過倍頻混頻處理到X波段后，其相位噪聲可達到-lOOdBc/Hz左右；同時，由 于多次倍頻和混頻的處理，電路設計也比較復雜，最終導致頻率合成器的體積很難實現小 型化。


【發明內容】

[0004] 針對現有技術在微波信號產生和處理過程中，由于多次倍頻和混頻處理，電路設 計比較復雜，導致頻率合成器的體積很難實現小型化；同時，在復雜的倍頻和混頻處理過程 中常常會引起相位噪聲惡化的技術問題，本發明提供一種基于HBAR的低相位噪聲頻率合 成的新系統。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0006] 一種基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，所述系統包括HBAR諧振器、放大器和 濾波器；其中，
[0007] 所述HBAR諧振器用于產生一系列聲學梳譜信號；
[0008] 所述放大器用于對所述聲學梳譜信號的功率進行放大；
[0009] 所述濾波器用于對功率放大后的聲學梳譜信號進行濾波，提取出L波段或S波段 的聲學梳譜信號，并將提取出的L波段或S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器；
[0010] 由此，所述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，并通過所述放大器輸出L 波段或S波段目標頻率信號。
[0011] 進一步，所述HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放 大器，所述濾波器為低損耗的聲表面波濾波器。
[0012] 進一步，所述放大器選用RF公司生產的型號為RF2044的芯片。
[0013] 進一步，所述HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放 大器，所述濾波器為一個低通和一個高通濾波器串聯構成。
[0014] 進一步，所述系統還包括倍頻器，所述倍頻器用于對所述放大器輸出的L波段或S 波段目標頻率信號進行倍頻放大，以獲得C波段或X波段目標頻率信號。
[0015] 本發明還提供一種根據前述基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統的合成方法， 所述方法包括以下步驟：
[0016] S1、利用HBAR諧振器產生一系列聲學梳譜信號；
[0017] S2、利用放大器對所述聲學梳譜信號的功率進行放大；
[0018] S3、利用濾波器對功率放大后的聲學梳譜信號進行濾波，提取出L波段或S波段的 聲學梳譜信號；
[0019] S4、將提取出的L波段或S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器，由此所 述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，并通過所述放大器輸出L波段或S波段目 標頻率信號。
[0020] 進一步，所述HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放 大器，所述濾波器為低損耗的聲表面波濾波器。
[0021] 進一步，所述放大器選用RF公司生產的型號為RF2044的芯片。
[0022] 進一步，所述HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放 大器，所述濾波器為一個低通和一個高通濾波器交疊的方式實現。
[0023] 進一步，所述方法還包括：利用倍頻器對所述放大器輸出的L波段或S波段目標頻 率信號進行倍頻放大，以獲得C波段或X波段目標頻率信號。
[0024] 本發明提供的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統和方法中，采用所述HBAR諧 振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，由此替代傳統晶振來產生單頻信號，而所述HBAR諧 振器和放大器直接構成的振蕩器保持了HBAR單頻振蕩的高Q值和低相噪特性，使得聲學梳 譜信號產生器振蕩在固定的頻率；同時，本發明提供的合成系統和方法中，不需要經過多次 倍頻和混頻處理，因而電路設計比較簡單，頻率合成器體積小型化較易實現。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明提供的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統結構示意圖。
[0026] 圖2是本發明提供的HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩電路輸出S波段信號 的相位噪聲測試示意圖。
[0027]圖3是本發明提供的倍頻器倍頻后輸出X波段信號的相位噪聲測試示意圖。
[0028] 圖4是本發明提供的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成方法流程示意圖。

【具體實施方式】
[0029] 為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發明。
[0030] 請參考圖1所示，一種基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，所述系統包括HBAR 諧振器、放大器和濾波器；其中，
[0031] 所述HBAR諧振器用于產生一系列聲學梳譜信號；
[0032] 所述放大器用于對所述聲學梳譜信號的功率進行放大；
[0033] 所述濾波器用于對功率放大后的聲學梳譜信號進行濾波，提取出L波段或S波段 的聲學梳譜信號，并將提取出的L波段或S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器；
[0034] 由此，所述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，并通過所述放大器輸出L 波段或S波段目標頻率信號。
[0035] 本發明提供的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統中，采用所述HBAR諧振器、放 大器和濾波器構成振蕩回路，由此替代傳統晶振來產生單頻信號，而所述HBAR諧振器和放 大器直接構成的振蕩器保持了HBAR單頻振蕩的高Q值和低相噪特性，使得聲學梳譜信號 產生器振蕩在固定的頻率；同時，本發明提供的合成系統中，不需要經過多次倍頻和混頻處 理，因而電路設計比較簡單，頻率合成器體積小型化較易實現。
[0036] 作為具體實施例，為了使所述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成的振蕩回路能夠 振蕩，首先要測試反饋振蕩器開環狀態的參數，具體可通過網絡分析儀測試開環傳遞參數， 其具體的測試方法和過程為本領域技術人員所熟知，通過測試可以得到幅相特性G-f和 0-/，當所述放大器的增益加上HBAR諧振器和濾波器的插入損耗大于等于1，且插入相 移等于0(即：G= 1，供=〇 )時，就滿足了振蕩條件，電路就產生諧振。在滿足諧振的前提 下，提高環路振蕩的Q值就可以得到較好的相位噪聲性能。因此，為了保證獲得低相位噪 聲，可以采用高Q值的HBAR諧振器、低噪聲系數的放大器以及低損耗的聲表面波濾波器來 實現。
[0037] 作為具體實施例，為了更好地對低相位噪聲頻率合成系統進行理解，本實施例中 以S波段低相位噪聲頻率合成為例進行詳細說明。具體地，當有信號激勵所述HBAR諧振器 時，所述HBAR諧振器會產生一系列聲學梳譜信號，所述一系列聲學梳譜信號經所述放大器 進行功率放大后，通過所述濾波器例如采用聲表面波濾波器進行窄帶選頻，提取出S波段 的聲學梳譜信號，而S波段的HBAR諧振器產生的聲學梳譜信號頻率間隔大約為8MHz，將提 取出的S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器；至此，所述HBAR諧振器、放大器和 濾波器構成一個振蕩回路，最后通過所述放大器輸出S波段目標頻率信號。振蕩器輸出的 S波段信號的相位噪聲小于-118dBc/HZ@lkHz，測試結果如圖2所示。
[0038] 作為優選實施例，為了更好地實現低相位噪聲，所述放大器選用RF公司生產的型 號為RF2044的芯片，該放大器的噪聲系數為3. 6dB，有利于低相位噪聲的實現，同時可以實 現增益20dB。所述HBAR諧振器與放大器直接構成的振蕩器保持了HBAR單頻振蕩的高Q值 和低相噪特性，使得聲學梳譜信號產生器振蕩在固定的頻率。
[0039] 作為具體實施例，為了保證獲得低相位噪聲，還可以采用高Q值的HBAR諧振器，低 噪聲系數的放大器，以及所述濾波器采用一個低通和一個高通濾波器串聯來實現。
[0040] 作為具體實施例，本系統采用HBAR諧振器直接產生低相位噪聲的L波段或S波段 聲學梳譜信號，代替傳統通過低頻信號倍頻的實現方式。所述HBAR諧振器的諧振Q值與產 生信號的相位噪聲密切相關，即諧振Q值越高，噪聲越低，反之諧振Q值越低，噪聲越高，而 X波段的HBAR的Q值相對于低頻段來說相對較低，具體L波段HBAR的Q值可以達到105， 而X波段的HBAR的Q值僅約為103,同時考慮到X波段的HBAR的制作工藝難度也較大，因 此為了保證目標信號的低相位噪聲指標，本發明中L波段或S波段信號由HBAR直接產生， 而C波段或X波段信號由L波段或S波段信號倍頻得到。具體地，所述系統還包括倍頻器， 所述倍頻器用于對所述放大器輸出的L波段或S波段目標頻率信號進行倍頻放大，以獲得 C波段或X波段目標頻率信號，所述倍頻器具體可采用四倍頻器，通過四倍頻模塊和濾波放 大模塊，可以獲得低相位噪聲的X波段目標信號。經過倍頻后輸出X波段的頻率信號，經過 測試得到相位噪聲小于-107dBc/HZ@lkHz，雜散抑制優于70dBc，測試結果如圖3所示。與 此同時，這種頻率合成方案還方便進行多芯片的混合集成，可以進一步實現頻率合成器的 小型化。
[0041] 請參考圖4所示，本發明還提供一種根據前述基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系 統的合成方法，所述方法包括以下步驟：
[0042]S1、利用HBAR諧振器產生一系列聲學梳譜信號；
[0043] S2、利用放大器對所述聲學梳譜信號的功率進行放大；
[0044] S3、利用濾波器對功率放大后的聲學梳譜信號進行濾波，提取出L波段或S波段的 聲學梳譜信號；
[0045]S4、將提取出的L波段或S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器，由此所 述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，并通過所述放大器輸出L波段或S波段目 標頻率信號。
[0046] 本發明提供的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成方法中，采用所述HBAR諧振器、放 大器和濾波器構成振蕩回路，由此替代傳統晶振來產生單頻信號，而所述HBAR諧振器和放 大器直接構成的振蕩器保持了HBAR單頻振蕩的高Q值和低相噪特性，使得聲學梳譜信號 產生器振蕩在固定的頻率；同時，本發明提供的合成方法中，不需要經過多次倍頻和混頻處 理，因而電路設計比較簡單，頻率合成器體積小型化較易實現。
[0047] 作為具體實施例，為了使所述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成的振蕩回路能夠 振蕩，首先要測試反饋振蕩器開環狀態的參數，具體可通過網絡分析儀測試開環傳遞參數， 其具體的測試方法和過程為本領域技術人員所熟知，通過測試可以得到幅相特性G-f和 識-/，當所述放大器的增益加上HBAR諧振器和濾波器的插入損耗大于等于1，且插入相移 等于0 (艮P:G= 1，滬=〇 )時，就滿足了振蕩條件，電路就產生諧振。在滿足諧振的前提下， 提高環路振蕩的Q值就可以得到較好的相位噪聲性能。因此，為了保證獲得低相位噪聲，可 以采用高Q值的HBAR諧振器、低噪聲系數的放大器以及低損耗的聲表面波濾波器來實現。
[0048] 作為具體實施例，為了更好地對低相位噪聲頻率合成方法進行理解，本實施例中 以S波段低相位噪聲頻率合成為例進行詳細說明。具體地，當有信號激勵所述HBAR諧振器 時，所述HBAR諧振器會產生一系列聲學梳譜信號，所述一系列聲學梳譜信號經所述放大器 進行功率放大后，通過所述濾波器例如采用聲表面波濾波器進行窄帶選頻，提取出S波段 的聲學梳譜信號，而S波段的HBAR諧振器產生的聲學梳譜信號頻率間隔大約為8MHz，將提 取出的S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器；至此，所述HBAR諧振器、放大器和 濾波器構成一個振蕩回路，最后通過所述放大器輸出S波段目標頻率信號。振蕩器輸出的 S波段信號的相位噪聲小于-118dBc/HZ@lkHz，測試結果如圖2所示。
[0049] 作為優選實施例，為了更好地實現低相位噪聲，所述放大器選用RF公司生產的型 號為RF2044的芯片，該放大器的噪聲系數為3. 6dB，有利于低相位噪聲的實現，同時可以實 現增益20dB。所述HBAR諧振器與放大器直接構成的振蕩器保持了HBAR單頻振蕩的高Q值 和低相噪特性，使得聲學梳譜信號產生器振蕩在固定的頻率。
[0050] 作為具體實施例，為了保證獲得低相位噪聲，還可以采用高Q值的HBAR諧振器，低 噪聲系數的放大器，以及所述濾波器采用一個低通和一個高通濾波器串聯來實現。
[0051] 作為具體實施例，本方法采用HBAR諧振器直接產生低相位噪聲的L波段或S波段 聲學梳譜信號，代替傳統通過低頻信號倍頻的實現方式。所述HBAR諧振器的諧振Q值與產 生信號的相位噪聲密切相關，即諧振Q值越高，噪聲越低，反之諧振Q值越低，噪聲越高，而 X波段的HBAR的Q值相對于低頻段來說相對較低，具體L波段HBAR的Q值可以達到105， 而X波段的HBAR的Q值僅約為103,同時考慮到X波段的HBAR的制作工藝難度也較大，因 此為了保證目標信號的低相位噪聲指標，本發明中L波段或S波段信號由HBAR直接產生， 而C波段或X波段信號由L波段或S波段信號倍頻得到。具體地，所述方法還包括利用倍 頻器對所述放大器輸出的L波段或S波段目標頻率信號進行倍頻放大，以獲得C波段或X 波段目標頻率信號，所述倍頻器具體可采用四倍頻器，通過四倍頻模塊和濾波放大模塊，可 以獲得低相位噪聲的X波段目標信號。經過倍頻后輸出X波段的頻率信號，經過測試得到 相位噪聲小于-107dBc/Hz@lkHz，雜散抑制優于70dBc，測試結果如圖3所示。與此同時，這 種頻率合成方案還方便進行多芯片的混合集成，可以進一步實現頻率合成器的小型化。
[0052] 以上僅為本發明的實施方式，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明 說明書及附圖內容所作的等效結構，直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理在本 發明的專利保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，其特征在于，所述系統包括HBAR諧振 器、放大器和濾波器；其中， 所述HBAR諧振器用于產生一系列聲學梳譜信號； 所述放大器用于對所述聲學梳譜信號的功率進行放大； 所述濾波器用于對功率放大后的聲學梳譜信號進行濾波，提取出L波段或S波段的聲 學梳譜信號，并將提取出的L波段或S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器； 由此，所述HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，并通過所述放大器輸出L波段 或S波段目標頻率信號。
2. 根據權利要求1所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，其特征在于，所述 HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放大器，所述濾波器為低 損耗的聲表面波濾波器。
3. 根據權利要求2所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，其特征在于，所述放 大器選用RF公司生產的型號為RF2044的巧片。
4. 根據權利要求1所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，其特征在于，所述 HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放大器，所述濾波器為一 個低通和一個高通濾波器串聯構成。
5. 根據權利要求1所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統，其特征在于，所述系 統還包括倍頻器，所述倍頻器用于對所述放大器輸出的L波段或S波段目標頻率信號進行 倍頻放大，W獲得C波段或X波段目標頻率信號。
6. -種根據權利要求1所述基于HBAR的低相位噪聲頻率合成系統的合成方法，其特征 在于，所述方法包括W下步驟： 51、 利用HBAR諧振器產生一系列聲學梳譜信號； 52、 利用放大器對所述聲學梳譜信號的功率進行放大； 53、 利用濾波器對功率放大后的聲學梳譜信號進行濾波，提取出L波段或S波段的聲學 梳譜信號； 54、 將提取出的L波段或S波段的聲學梳譜信號輸出至所述HBAR諧振器，由此所述 HBAR諧振器、放大器和濾波器構成振蕩回路，并通過所述放大器輸出L波段或S波段目標頻 率信號。
7. 根據權利要求1所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成方法，其特征在于，所述 HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放大器，所述濾波器為低 損耗的聲表面波濾波器。
8. 根據權利要求2所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成方法，其特征在于，所述放 大器選用RF公司生產的型號為RF2044的巧片。
9. 根據權利要求1所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成方法，其特征在于，所述 HBAR諧振器為高Q值的HBAR諧振器，所述放大器為低噪聲系數的放大器，所述濾波器為一 個低通和一個高通濾波器交疊的方式實現。
10. 根據權利要求1所述的基于HBAR的低相位噪聲頻率合成方法，其特征在于，所述方 法還包括；利用倍頻器對所述放大器輸出的L波段或S波段目標頻率信號進行倍頻放大，W 獲得C波段或X波段目標頻率信號。
【文檔編號】H03L7/16GK104467831SQ201410754095
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】穆曉華, 朱昌安 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所