基于钇铁石榴石振荡器的S 波段频率综合器的设计
于 航，张林波
（哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001）
摘要：针对于现代雷达系统以及一些精密测量仪器所需要的超宽带、微小步进、低相位噪声本振源的问题，本文提出了一种采用钇铁石榴石振荡器为主的锁相环内插直接数字频率合成器方案。实现了S 波段2-4GHz
动态范围都优于采用一般压控振荡器的频率综合器。
关键词：超宽带；钇铁石榴石；锁相环；直接数字频率合成器
A Design of S-band Frequency Synthesizer Based on YIG Oscillator
YU Hang,ZHANG Lin-bo
(School of Information and Communication Engineering, HEU, Hrabin 150001,China)
system and some precision measuring instruments need, this paper presents a Yttrium Iron Garnet (YIG) oscillator
design of frequency source of micro step in S-band frequency range 2-4GHz. Experiments show that the phase noise and dynamic range of YIG oscillator frequency synthesizer are better than that of the common VCO frequency synthesizer.
Key words：ultra wideband；YIG ；PLL ；DDS
n g
0 引言
19
h a
频率源在通信系统中应用广泛，其性能的好坏
直接影响着整个系统的性能，例如雷达、导航、空
y u
间电子设备以及仪器、仪表等。因此超宽带、微小步进、低相位噪声、低杂散的频率综合器成为目前研究的热门[1]。60年代以前微波频率源基本以速调管、磁控管、返波管等组成，这类的器件一般都存在工作电压高、功耗大、电源复杂、体积庞大等诸
84
1
with PLL-based interpolation scheme of Direct Digital Synthesis（DDS ）. It has implemented the research and
多缺点，尤其是这类的器件组成的频率源输出频谱
@y
Abstract: In order to acquire ultra wideband, micro step and low phase noise local oscillator which modern radar
复杂、相位噪声大、频率稳定度差已经不能适应现代通信、雷达系统的要求。在50年代初Griffiths 发现石榴石(YIG)系铁氧体在微波领域内显现出强烈的电子自璇共振现象，这种共振可以在很宽的频带范围之内，并且共振频率正比于外加磁场。
YIG 振荡器就是基于放置在加有电磁场的空腔内的钇铁石榴石球微波源，也就是通过把微小的钇铁石榴石球准确地放在电磁铁气隙中形成的。在设计合理的YIG 振荡器中，电磁场的场强是外加电流的线性函数。这种振荡器具有极高的无载Q 值，在
e a
h .
n e
频率范围内微小步进频率源的研究与设计。通过实验表明采用钇铁石榴石振荡器频率综合器的相位噪声与
t
微波频段可达1000~8000，并且无载Q 值随频率的增加而增加，这是其它谐振器所不具备的，因此用它做成的YIG 振荡器具有很好的频谱纯度及相位噪声指标，可以达到-110dBc/Hz@10kHz。因此非常适合于精密测量仪器，雷达系统，导航等方面的应用[2]。
Hittite 公司的四分频器HMC433。
1.1 YIG振荡器的选取
考虑到需要在S 波段范围内实现2-4GHz 一个倍频程的频率输出范围，以及对于相位噪声和可靠性的要求，因此选取了Micro Lambda Wireless公司的A V-7203型YIG 振荡器。Avantek 倍频程系列YIG 调谐振荡器基本结构紧凑，重量轻，采用独特的薄膜结构和密封包装，适用于军事和航空航天严酷的工作环境条件下[2,3]。
1.2 锁相环内插直接数字频率合成器
图1锁相环内插直接数字频率合成器系统框图
根据系统款图，以及一些参数可以得出最终输出频率的公式如下：
式中：F PD 为鉴相频率，N 为DDS 的累加器位数，
频率综合器一般采用锁相环路完成频率的锁定与控制，但是由于普通锁相环特性限制无法实现
19
微小频率步进与较大的动态范围。锁相环内插直接数字频率合成器便可以解决这个问题，锁相环内插
DDS 输出信号作为锁相环的频率基准输入，这种方式可以实现锁相环的微小频率步进，但是由于基准频率变化而导致鉴相频率也发生了变化，对环路滤波器有一定影响，此外这种方式也不适合大动态范
n g
直接数字频率合成器主要有两种结构[4]；一种是将
h a
84
- 2 -
@y
率。
FTW 为DDS 的相位控制字，F out 为综合器输出频
高主频支持1GHz ，拥有32bit 分辨率，因此N=32。并且AD9858片上自带鉴相器，所以只需要一片AD9858即可完成频率综合器的主要部分。鉴相频率F PD 选择为10MHz 。如果要实现F out 在2-4GHz 范围内变化，根据公式（1）可以计算出DDS 频率控制字FTW 需在51EB851到28F5C28（16进制）内选择。最小频率步进由公式（2）决定
y u
围内的锁定。另外一种是将DDS 插入到锁相环的前置分频器中，利用DDS 高分辨率的特性实现微小频率步进的目的，动态范围也可以满足，因此本
最小频率步进是最大值，即FTW =28F5C28，计算可得∆F out =0.09313Hz 。 1.3环路滤波器参数设计
锁相环输出频率特性是由环路滤波器决定的。环路滤波器的作用是抑制鉴相器输出信号中的载
设计中采用了这种方案，基本结构如图1所示[5]。由于采用的DDS 最高主频是1GHz ，因此在DDS 时钟输入端加入了前置分频器，前置分频器采用了
e a
∆F out
设计中DDS 选用了ADI 公司的AD9858，最
通过以上公式可以得出当FTW 取最大值时，
h .
F out
F PD 2N +2
= （1）
FTW
F PD 2N +2F PD 2N +2=− （2）
FTW FTW +1
n e
1 系统方案设计
频分量和其他高频噪声。此环路滤波器可以采用无源或者有源滤波器，采用有源滤波器由于其电路结构复杂将会引入较大的相位噪声，使得锁相环的整体噪声性能变差，在对噪声性能要求较高的系统中，采用无源环路滤波器可以达到电路结构简单、低噪声、高稳定度的目的。因此本设计中采用了常用的三阶无源低通滤波器，电路图如图2所示
图2 三阶无源滤波器
助调谐线圈实现，粗调与细调之间通过相应的控制电路就可以实现大动态范围内，微小步进的频率调节。其结构如图3所示
阻尼系数和固有频率为[6]
ωn =
（4）
环路参数因此可以确定为以下公式
ωN
9
C 1=
K YIG K pd
2n
（5）
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- 3 -
n R 1=2ζ
（6）
C 1
h a
根据已知锁相环和YIG 参数便可计算出所需
要滤波器基本元件参数。
y u
1.4 YIG振荡器控制电路设计
A V-7203型YIG 振荡器由两组线圈通过恒定电
流制，分为主调谐线圈和辅助调谐线圈。这两组调谐线圈灵敏度分别为20MHz/mA 与310kHz/mA。输出频率的粗调可以由外部可控恒流源驱动主调谐线圈实现，细调则由锁相环路控制辅
@y
ζ=
ωn R 1C 1
（3）
2
样可以实现大动态范围的调节，而将锁相环的输出接入YIG 辅助控制线圈，通过锁相环的控制可以实现微小的频率步进。通过控制器判断锁相环鉴相器输出电压是否超出范围，如果超出范围，相应的改变主调谐线圈的电流就可以实现锁相环的锁定。
2 实验结果
根据原理搭建频率综合器实验样机，频率综合
器采用外部10M 温补晶振提供基准，控制器为ALTERA 公司的CPLD ，通过并口快速调节DDS 内部寄存器与锁相环寄存器。主控板如图4所示
e a
通过三阶无源低通滤波器的传递函数计算出
YIG 的主调谐线圈是通过数模转换器控制，这
图4 PLL-DDS主控板实物图片
图3 YIG驱动电路框图
图5 系统频谱测试
此对于一套性能优良的频率综合器来说器件性能的好坏也至关重要。总体结果可以看出优于一般采用宽带压控振荡器的频率综合器。
3 结束语
本文参考锁相环内插直接数字频率合成器原
进的控制。并设计了一套试验样机，通过实验测量结果表明原理可行，在频率步进以及相位噪声方面都有很好的表现，因此非常适用于对振荡器要求比较高的场合。
图6 系统相位噪声测试
[1] 陈杰美, 钱学济. 电子测量仪器原理[M]. 国防
由于DDS 工作主频很高，发热量大，在芯片
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- 4 -
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的顶部和底部都配有散热片，以保证芯片的正常工
作。所有测试结果均采用Agilent 公司的N9030A
n g
频谱分析仪进行测试，测试结果如图5和图6所示，在2.0637G 的时候输出功率可达0.02dbm ，输出相位噪声可达-105.67dBc/Hz@10kHz，最小频率步进
h a
1kHz 。但随着频率的升高相位噪声逐渐增加，输出功率也随之降低，这主要是由于器件特性决定，因
y u
我的Email ：
@y
[2] Bernd Kaa. A simple approach to YIG oscillators [J].VHF Communications,2004,4,217-224.
[3] Micro Lambda Wireless Inc. Avantek YIG Tuned Oscillator[DB/OL]..2008-5-18.
[4] 黄志旺, 骆守峰. 一种低相噪宽带频率合成器实
现[J]. 现代雷达, 2007, 29(8): 102 - 105. [5] 白居宪. 直接数字频率合成[M].西安交通大学
出版社.2007.
[6] 张厥盛, 万心平, 等. 锁相技术[M]. 西安电子科
技大学出版社,1994.
e a
工业出版社,1980.
h .
参 考 文 献
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相环电路，实现了2-4GHz 频率范围内微小频率步
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理与技术，提出了一种适用于控制YIG 振荡器的锁
基于钇铁石榴石振荡器的S 波段频率综合器的设计
于 航，张林波
（哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001）
摘要：针对于现代雷达系统以及一些精密测量仪器所需要的超宽带、微小步进、低相位噪声本振源的问题，本文提出了一种采用钇铁石榴石振荡器为主的锁相环内插直接数字频率合成器方案。实现了S 波段2-4GHz
动态范围都优于采用一般压控振荡器的频率综合器。
关键词：超宽带；钇铁石榴石；锁相环；直接数字频率合成器
A Design of S-band Frequency Synthesizer Based on YIG Oscillator
YU Hang,ZHANG Lin-bo
(School of Information and Communication Engineering, HEU, Hrabin 150001,China)
system and some precision measuring instruments need, this paper presents a Yttrium Iron Garnet (YIG) oscillator
design of frequency source of micro step in S-band frequency range 2-4GHz. Experiments show that the phase noise and dynamic range of YIG oscillator frequency synthesizer are better than that of the common VCO frequency synthesizer.
Key words：ultra wideband；YIG ；PLL ；DDS
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频率源在通信系统中应用广泛，其性能的好坏
直接影响着整个系统的性能，例如雷达、导航、空
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间电子设备以及仪器、仪表等。因此超宽带、微小步进、低相位噪声、低杂散的频率综合器成为目前研究的热门[1]。60年代以前微波频率源基本以速调管、磁控管、返波管等组成，这类的器件一般都存在工作电压高、功耗大、电源复杂、体积庞大等诸
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with PLL-based interpolation scheme of Direct Digital Synthesis（DDS ）. It has implemented the research and
多缺点，尤其是这类的器件组成的频率源输出频谱
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Abstract: In order to acquire ultra wideband, micro step and low phase noise local oscillator which modern radar
复杂、相位噪声大、频率稳定度差已经不能适应现代通信、雷达系统的要求。在50年代初Griffiths 发现石榴石(YIG)系铁氧体在微波领域内显现出强烈的电子自璇共振现象，这种共振可以在很宽的频带范围之内，并且共振频率正比于外加磁场。
YIG 振荡器就是基于放置在加有电磁场的空腔内的钇铁石榴石球微波源，也就是通过把微小的钇铁石榴石球准确地放在电磁铁气隙中形成的。在设计合理的YIG 振荡器中，电磁场的场强是外加电流的线性函数。这种振荡器具有极高的无载Q 值，在
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频率范围内微小步进频率源的研究与设计。通过实验表明采用钇铁石榴石振荡器频率综合器的相位噪声与
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微波频段可达1000~8000，并且无载Q 值随频率的增加而增加，这是其它谐振器所不具备的，因此用它做成的YIG 振荡器具有很好的频谱纯度及相位噪声指标，可以达到-110dBc/Hz@10kHz。因此非常适合于精密测量仪器，雷达系统，导航等方面的应用[2]。
Hittite 公司的四分频器HMC433。
1.1 YIG振荡器的选取
考虑到需要在S 波段范围内实现2-4GHz 一个倍频程的频率输出范围，以及对于相位噪声和可靠性的要求，因此选取了Micro Lambda Wireless公司的A V-7203型YIG 振荡器。Avantek 倍频程系列YIG 调谐振荡器基本结构紧凑，重量轻，采用独特的薄膜结构和密封包装，适用于军事和航空航天严酷的工作环境条件下[2,3]。
1.2 锁相环内插直接数字频率合成器
图1锁相环内插直接数字频率合成器系统框图
根据系统款图，以及一些参数可以得出最终输出频率的公式如下：
式中：F PD 为鉴相频率，N 为DDS 的累加器位数，
频率综合器一般采用锁相环路完成频率的锁定与控制，但是由于普通锁相环特性限制无法实现
19
微小频率步进与较大的动态范围。锁相环内插直接数字频率合成器便可以解决这个问题，锁相环内插
DDS 输出信号作为锁相环的频率基准输入，这种方式可以实现锁相环的微小频率步进，但是由于基准频率变化而导致鉴相频率也发生了变化，对环路滤波器有一定影响，此外这种方式也不适合大动态范
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直接数字频率合成器主要有两种结构[4]；一种是将
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FTW 为DDS 的相位控制字，F out 为综合器输出频
高主频支持1GHz ，拥有32bit 分辨率，因此N=32。并且AD9858片上自带鉴相器，所以只需要一片AD9858即可完成频率综合器的主要部分。鉴相频率F PD 选择为10MHz 。如果要实现F out 在2-4GHz 范围内变化，根据公式（1）可以计算出DDS 频率控制字FTW 需在51EB851到28F5C28（16进制）内选择。最小频率步进由公式（2）决定
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围内的锁定。另外一种是将DDS 插入到锁相环的前置分频器中，利用DDS 高分辨率的特性实现微小频率步进的目的，动态范围也可以满足，因此本
最小频率步进是最大值，即FTW =28F5C28，计算可得∆F out =0.09313Hz 。 1.3环路滤波器参数设计
锁相环输出频率特性是由环路滤波器决定的。环路滤波器的作用是抑制鉴相器输出信号中的载
设计中采用了这种方案，基本结构如图1所示[5]。由于采用的DDS 最高主频是1GHz ，因此在DDS 时钟输入端加入了前置分频器，前置分频器采用了
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∆F out
设计中DDS 选用了ADI 公司的AD9858，最
通过以上公式可以得出当FTW 取最大值时，
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F PD 2N +2
= （1）
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F PD 2N +2F PD 2N +2=− （2）
FTW FTW +1
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1 系统方案设计
频分量和其他高频噪声。此环路滤波器可以采用无源或者有源滤波器，采用有源滤波器由于其电路结构复杂将会引入较大的相位噪声，使得锁相环的整体噪声性能变差，在对噪声性能要求较高的系统中，采用无源环路滤波器可以达到电路结构简单、低噪声、高稳定度的目的。因此本设计中采用了常用的三阶无源低通滤波器，电路图如图2所示
图2 三阶无源滤波器
助调谐线圈实现，粗调与细调之间通过相应的控制电路就可以实现大动态范围内，微小步进的频率调节。其结构如图3所示
阻尼系数和固有频率为[6]
ωn =
（4）
环路参数因此可以确定为以下公式
ωN
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C 1=
K YIG K pd
2n
（5）
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根据已知锁相环和YIG 参数便可计算出所需
要滤波器基本元件参数。
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A V-7203型YIG 振荡器由两组线圈通过恒定电
流制，分为主调谐线圈和辅助调谐线圈。这两组调谐线圈灵敏度分别为20MHz/mA 与310kHz/mA。输出频率的粗调可以由外部可控恒流源驱动主调谐线圈实现，细调则由锁相环路控制辅
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样可以实现大动态范围的调节，而将锁相环的输出接入YIG 辅助控制线圈，通过锁相环的控制可以实现微小的频率步进。通过控制器判断锁相环鉴相器输出电压是否超出范围，如果超出范围，相应的改变主调谐线圈的电流就可以实现锁相环的锁定。
2 实验结果
根据原理搭建频率综合器实验样机，频率综合
器采用外部10M 温补晶振提供基准，控制器为ALTERA 公司的CPLD ，通过并口快速调节DDS 内部寄存器与锁相环寄存器。主控板如图4所示
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通过三阶无源低通滤波器的传递函数计算出
YIG 的主调谐线圈是通过数模转换器控制，这
图4 PLL-DDS主控板实物图片
图3 YIG驱动电路框图
图5 系统频谱测试
此对于一套性能优良的频率综合器来说器件性能的好坏也至关重要。总体结果可以看出优于一般采用宽带压控振荡器的频率综合器。
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本文参考锁相环内插直接数字频率合成器原
进的控制。并设计了一套试验样机，通过实验测量结果表明原理可行，在频率步进以及相位噪声方面都有很好的表现，因此非常适用于对振荡器要求比较高的场合。
图6 系统相位噪声测试
[1] 陈杰美, 钱学济. 电子测量仪器原理[M]. 国防
由于DDS 工作主频很高，发热量大，在芯片
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的顶部和底部都配有散热片，以保证芯片的正常工
作。所有测试结果均采用Agilent 公司的N9030A
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频谱分析仪进行测试，测试结果如图5和图6所示，在2.0637G 的时候输出功率可达0.02dbm ，输出相位噪声可达-105.67dBc/Hz@10kHz，最小频率步进
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我的Email ：
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[2] Bernd Kaa. A simple approach to YIG oscillators [J].VHF Communications,2004,4,217-224.
[3] Micro Lambda Wireless Inc. Avantek YIG Tuned Oscillator[DB/OL]..2008-5-18.
[4] 黄志旺, 骆守峰. 一种低相噪宽带频率合成器实
现[J]. 现代雷达, 2007, 29(8): 102 - 105. [5] 白居宪. 直接数字频率合成[M].西安交通大学
出版社.2007.
[6] 张厥盛, 万心平, 等. 锁相技术[M]. 西安电子科
技大学出版社,1994.
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工业出版社,1980.
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参 考 文 献
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相环电路，实现了2-4GHz 频率范围内微小频率步
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理与技术，提出了一种适用于控制YIG 振荡器的锁