双路径技术实现PLL合成器超宽环路带宽与超低相位噪声

随着 5G 向 6G 演进、卫星通信与毫米波技术普及，现代无线通信系统正朝着更高频率、更宽带宽、更复杂调制的方向飞速发展。无论是商业领域的地面无线网络，还是军事场景的战术视距无线电，都对核心频率源 —— 本地振荡器（LO）提出了严苛要求：不仅要突破高频甚至太赫兹频段限制，更需具备超低相位噪声、低杂散与快速调谐能力。

在当前技术路径中，直接式（混频 - 倍频 - 分频，MMD）合成器虽能满足高性能需求，但存在尺寸、重量、功耗（SWaP）过大及成本高昂、结构复杂等痛点。而间接式（锁相环，PLL）合成器虽具备轻量化、低成本优势，却受限于环路带宽，相位噪声性能难以与直接式方案抗衡。这一行业痛点，如今被一项创新技术成功破解。

双路径技术解锁超宽环路带宽

对于 PLL 合成器而言，要实现低相位噪声这一核心目标，意味着随着工作频率升高，其环路带宽必须同步拓宽（最终关注的是分数环路带宽）。通过本文介绍的特殊技术，可在这类合成器中实现传统方法无法达到的超宽环路带宽。

此外，采用单位闭环增益并仅通过（相关 PLL 内部的）倍频机制，也有助于降低相位噪声。本文将该技术应用于一款示例合成器，该合成器为单环结构（仅含一个相关 PLL，简化了设计流程），属于配备一阶有源比例积分（PI）环路滤波器的二阶二型系统，已实际应用于一款高性能接收机的本地振荡器。

合成器单环 PLL 部分关键组件框图 显示合成器单环 PLL 部分的关键组件，其中最核心的是一阶双路径有源 PI 环路滤波器，如下图。

合成器参考 - 输入输出 - 电源部分简化框图 显示该部分的关键组件，如下图。

一阶有源 PI 环路滤波器应用广泛，因此本文介绍的技术具备较强的通用性。经适当修改后，该技术也可应用于其他拓扑结构的 PLL。由于涉及高频环路动态特性，示例合成器基于模拟硬件设计，而非受限于当前计算速度的数字（或计算型）硬件 / 软件方案。

技术原理说明

该技术原理较为简洁，在讨论方法之前，先介绍一些有关模拟硬件PLL合成器的要点。也就是说，除了定义拓扑的性能规格外，任何相关的PLL通常还需要考虑五个主要电路实现因素：

• 分立元件、集成电路（IC）或混合系统方案；

• 电压输出型与电流输出型鉴相器；

• 单输出与双输出（非差分）鉴相器；

• 低电压输出与高电压输出鉴相器；

• 低电压控制与高电压控制压控振荡器（VCO）。

本文介绍的技术适用于 “低电压输出鉴相器 + 高电压控制 VCO” 的组合场景，涵盖众多重要应用领域 —— 包括本文的高性能示例合成器。高电压 VCO 之所以能实现低相位噪声（和低参考杂散）的优异性能，是因为其压控灵敏度（Kv）相对低电压 VCO 更低。

该技术在示例合成器（单环、二阶二型系统、一阶有源 PI 环路滤波器）中的应用方式如下：将传统基于单个有源器件（通常是运算放大器）的环路滤波器，拆分为比例路径和积分路径两条独立的并行路径，每条路径使用专用的有源器件，且器件带宽与自身功能相匹配；随后将两条路径的输出重新组合（求和），生成统一的 VCO 控制信号。该技术被称为 “双路径” 技术，对应的环路滤波器称为 “一阶双路径有源 PI 环路滤波器”。

当无法找到兼具超高增益带宽积、极低等效电压和电流噪声、以及高直流供电电压能力的运算放大器，来同时承担比例放大器和积分放大器的角色时，这种双路径技术就显得尤为必要 —— 这也正是本文示例合成器面临的实际情况。该方法虽已问世多年，但此前尚未以本文所述的方式得到应用。不过基于前文所述的技术趋势，该方法有望得到更广泛的推广。

应用场景与性能指标

如前所述，本文的示例单环 PLL 合成器已实际应用于一款高性能超外差接收机，作为高侧第一本地振荡器（1st LO）。该接收机具备高频、宽带、复杂解调及快速调谐特性，而合成器的核心设计目标是实现尽可能低的相位噪声 —— 由于第一本地振荡器是影响接收机整体相位噪声的主要因素，这一指标至关重要。性能指标详情如下：

• 工作频段：22.5-39.9 GHz（微波高端 / 毫米波低端）；

• 信道间隔 / 工作频率数量：200 MHz / 88 个；

• 参考频率 / 范围：400 MHz（固定）；

• 相位连续性：相邻信道步进时相位和频率连续；

• 稳定性：相位裕度（fm）> 45°，增益裕度（Gm）> 10 dB；

• 单边带（SSB）相位噪声：在 100 Hz 至 40 MHz 偏移频率范围内积分值 < 350 毫度；

• 杂散特性：载波 ±500 MHz 范围内≤-60 dBc，载波 ±（500-2000）MHz 偏移范围内≤-90 dBm；

• 切换时间：任意两个随机信道间切换时间 < 25 微秒（从非特定瞬态过冲至稳态频率偏移 < 100 kHz，全工作频段内 < 5.75 百万分比浓度（PPM），相邻信道间 < 500 PPM），且输出功率需落入 + 12±4 dBm 区间；

• 输出功率与平坦度：全工作频段内输出功率 + 12±4 dBm（无需有源功率均衡）；

• 直流工作功耗：最大 12.5 W；

• 工作环境：外壳工作温度范围 - 20 至 + 70℃。

由于该合成器工作频率高、性能要求严苛，所有组件均采用分立元件，且均为封装表面贴装类型（未采用混合芯片引线技术）。以上仅为电气和环境指标，未包含机械指标。