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1、微波振荡器相位噪声分析及改善方法相位噪声定义相位噪声定义为：来自信号频率特定的偏离处，一个相位调制边带的单位带宽(1)功率与总信号功率之比，表示为，它通常用每带宽内的噪声功率相对于载波功率的分贝数表示()。与相位噪声相关联的双边带功率谱密度中包括在两个边带中的功率为在有噪二端口网络的输出处，噪声功率为，其中，是测量带宽，是网络的噪声系数，是网络的增益。所以双边带的相位噪声可表示为是输入信号（载波）功率。当振荡器用于混频系统时，它的相位噪声指标可能会决定着混频系统在下变频后所对中频信号的最大区分距离，也即是振荡器的相位噪声指标可能会影响系统选择性、灵敏度
2、等。振荡器相位噪声的Leeson模型Leeson模型是模拟一个有反馈电路的放大器，如图1所示，假设放大器的电压增益已包含了反馈传递函数，则该振荡器的电压传递函数是6考虑反馈电路采用高Q值谐振电路的振荡器，则可以用RLC并联谐振电路的电压传递函数表示图1Leeson模型所以输出端双边带的噪声功率表示为为输入端功率谱密度，定义为谐振器的半功率(3dB)带宽。6为有载品质因子。相位噪声主要来源有热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等，常称之为短期频率稳定问题。热噪声通常受温度、环路带宽、电阻噪声所决定，散粒噪声主要由直流工作点偏置电流决定，闪烁噪声则受有源器件自身特性
3、决定。其中影响最大的噪声源为热噪声和闪烁噪声，闪烁噪声的相位噪声特性通常具有斜率特性。在图2中被称为闪烁噪声角频率，它通常与放大器的直流偏置电流有关。图2闪烁噪声的影响及其特性闪烁噪声的影响属于典型的AM−to−PM影响，由于闪烁噪声的特性与放大器的直流偏置电流有关，因此可以利用负反馈、恒流源等稳定直流工作点的方法来减少其影响。当考虑闪烁噪声时，输入功率谱密度应写成所以输出端双边带的相位噪声表示为可以根据在上式中间两项中哪个占主导地位，分为两种情况。一般情况都为：还可以表示为6这个式子适用于各种谐振器的反馈式振荡器，而上上式则只有时才能成立。这是修正后
4、的Leeson公式[2]。Leeson模型的相位噪声改进方法定义为反馈电路的群延时。由此可以看出要想相位噪声减小，可以通过降低环境温度，放大器噪声系数，增加有效功率，群延时或有载品质因子。振荡器的有效功率与反馈电路（谐振器）的插损呈反比，所以要降低插损。由谐振器及滤波器的经验可知，插损与有载品质因子是一对矛盾体，降低插损则有载品质因子会随之降低。所以需要在插损与有载品质因子之间做一个权衡。定义相位噪声品质因子为由上式可知，要想得到最小相位噪声，则需要得到最小的相位噪声品质因子。如图3所示，在相同插损下，对于所有形式的滤波器而言，椭圆滤波器的群延时最大，
5、切比雪夫滤波器的群延时次之，巴特沃斯滤波器最差。6图3Comparisonofgroup-delayresponsesofButterworth,Chebyshev,andellipticbandpassfilters.谐振器直接耦合的耦合系数为正，谐振器交叉耦合的耦合系数为负。交叉耦合引入了一对传输零点，导致滤波器的椭圆响应，这是一种得到椭圆滤波器的方法。由于窄带滤波器的选择性很好，所以带宽越窄，越小。理想情况下，在相同有载品质因子的情况下，当传输零点越接近通带的边缘时，滤波器表现出更尖锐的裙部，因此，群延迟的峰值增加。实际上，谐振器的损耗使滤波器的
6、性能非常接近通带零点，导致群延迟峰值下降。因此，在某个点之后，PNFOM不再随着被推向更靠近通带而减小。当有载品质因子增大时，传输零点越靠近通带边缘，PNFOM越小。注意：leeson6模型只适用于并联反馈式振荡器的相位噪声分析，并不是适用于所有形式的振荡器，比如串联反射式振荡器则需要另外的模型分析。所以对于改善leeson模型相位噪声的方法也只适用于并联反馈式振荡器。另外，对于串联反射式振荡器也是需要高的有载品质因子。参考文献：[1]D.B.Leeson,“Asimplemodeloffeedbackoscillatornoisespectrum,”
7、Proc.IEEE,vol.54,no.2,pp.329–330,Feb.1966.[2]J.Nallatamby,M.Prigent,M.Camiade,andJ.J.Obregon,“ExtensionoftheLeesonformulatophasenoisecalculationintransistoroscillatorswithcomplextank,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.51,no.3,pp.690–696,Mar.2003.[3]T.E.Parker,“Currentdevelopments
8、inSAWoscillatorstability,”inProc.31stAnnu.Freq.
