振蕩器與頻率合成器的基礎知識

　　和頻率合成器實現載波信號及上/下變頻本地振蕩器頻率的生成，對頻率調諧的輔助以及其他功能。此類精密頻率的生成可通過多種材料和技術實現。本文對射頻和微波技術中常用的各種振蕩器和頻率合成器進行簡單介紹。

　　振蕩器基礎知識

　　振蕩器為一種可在受激時產生可重復可預測頻率響應的材料和結構，并且是很多模擬、數字和射頻電路中的關鍵部件。某些類型的振蕩器由通過相互作用而產生振蕩的電氣元件組成，而另外一些振蕩器采用可在受激時生成諧振信號的材料。為了提高振蕩器針對長時間工作、溫度、材料及元件退化以及其他因素的電氣性能和穩定性，某些類型的振蕩器還采用數字或模擬控制電路。

　　LC電路振蕩器

　　某些最早的振蕩器利用電感和電容電路產生諧振和振蕩信號。早期的無線電系統通過以旋鈕和開關調節電感值和電容值的方式，實現改變諧振特性的目的。此類系統通常比采用其他的技術的振蕩器體積更大，而且必須持續調諧，才能保持所需的振蕩性能。LC電路振蕩器已大部分被集成電路中的晶體振蕩器及其他電路類型振蕩器所取代。

　　同軸諧振振蕩器

　　同軸元件也可用于在與其本身的幾何結構及腔體幾何結構相符合的特定頻率下產生電感和電容特性。此類器件雖然因所需工作頻率而在小型化方面受到限制，但是其通常非常穩定，而且可在數百兆赫茲至數千兆赫茲范圍內提供優異的相位噪聲性能。

　　晶體振蕩器

　　晶體振蕩器由在受到電激勵時產生諧振特性的晶體結構組成。此類振蕩器通常非常穩定，具有優異的相位噪聲，而且可制成相對小巧的結構。在具有更高要求的應用中，晶體振蕩器通常集成至更為復雜的模擬或數字電路中，這些電路利用一個或多個振蕩器及環境控制系統實現更加可靠的性能，以對頻率和相位的經時變化進行限制。晶體振蕩器的振蕩頻率與晶體尺寸成正比，而且晶體振蕩器可制造成在數赫茲至千兆赫茲以上范圍內產生諧振特性。

　　介質諧振振蕩器（DRO）

　　介質諧振振蕩器為一類利用介質諧振器產生非常穩定且顫噪效應極低的高Q諧振特性的微波和毫米波頻率振蕩器。介質諧振振蕩器通常采用具有高介電常數和低損耗因子的介質塊作為其諧振元件，而且與其他諧振結構類似，介質諧振振蕩器的工作頻率與介質塊的物理尺寸相關。雖然介質諧振振蕩器與同軸諧振振蕩器的腔體諧振器類似，但是其在高頻下的電阻性損耗并不增大。

　　鎖相振蕩器（PLO）

　　鎖相振蕩器為由振蕩器和用于提高該振蕩器穩定性的模擬或數字輔助控制電路組成的復合結構。鎖相振蕩器利用對所需頻率特性進行校正和“鎖定”的反饋網絡實現對諧振特性或振蕩器激勵的調整。鎖相振蕩器電路的要求取決于振蕩器類型，頻率要求，頻譜質量要求，功率輸出以及其他環境因素。

　　壓控振蕩器（VCO）

　　壓控振蕩器為一種可由輸入電壓信號（通常為直流信號）控制的振蕩器。壓控振蕩器分為帶可變電容（變容）二極管器件的壓控晶體振蕩器（VCXO），釔鐵石榴石（YIG）調諧振蕩器等多種類型。

　　頻率合成器基礎知識

　　頻率合成器為一種可從單個基準頻率生成多個頻率的電路。頻率合成器通常利用倍頻/分頻、混頻或鎖相環等不同技術，生成信號或對來自振蕩器的進行修飾。最新的一種技術稱為直接數字合成法，其采用查找表等數字編程方法生成所需的輸出頻率。

　　鎖相環（PLL）頻率合成器

　　鎖相環頻率合成器與鎖相振蕩器類似，其不同點在于，鎖相環頻率合成器的反饋控制電路還可進一步以可預測的方式對輸出頻率進行調節。與鎖相振蕩器類似，鎖相環頻率合成器反饋電路的目的也在于將該電路的輸出相位與輸入相位鎖定，然而鎖相環頻率合成器所生成的控制信號還用作壓控振蕩器的激勵。某些鎖相環合成器結構為采用整數N或分數N設計的間接數字合成器。

　　整數N鎖相環頻率合成器

　　此類型的鎖相環合成器采用帶負反饋的倍頻功能產生基準頻率整數倍的輸出頻率。通常，此控制功能由輸出壓控振蕩器控制模擬電壓的數字電路實現。整數N鎖相環的一項無可避免的缺點在于，信號的相位噪聲隨倍頻倍數的增加而增加。

　　分數N鎖相環頻率合成器

　　此類型鎖相環合成器比整數N合成器的改進之處在于，其允許輸出頻率為操作數的分數信道與分數模數的比數。因此，其所得頻率分辨率為鑒相器頻率的一部分，從而與整數N合成器相比，有效降低了相位噪聲。然而，此類型的鎖相環合成器必須精確設計，因此其復雜度高于其他鎖相環合成器。

　　直接數字合成（DDS）頻率合成器

　　最新的數字合成射頻信號生成技術已發展至可直接從數字基準信號生成射頻信號。這一過程通常涉及創建數字波形，然后通過數模（D/A）轉換器將其轉換成射頻信號。DDS頻率合成器通常封裝成集成電路，而且僅需要使用一個能夠提供足以生成目標信號的余量和精確度的時鐘。