通过信号相位行为提高频谱和功率效率

锁相环（PLL）使用相位检测器将反馈信号与参考信号进行比较，将两个信号的相位锁定在一起。虽然此属性仍有许多应用，但目前PLL最常用于频率合成，通常用作频率上/下变频器中的本地振荡器（LO），或用于高速模数转换器（ADC）或数字到数字转换器的时钟。模拟转换器（DAC）。

直到最近，很少关注这些电路中的相位行为。然而，随着对效率，带宽和性能的不断增长的需求，RF工程师必须设计新技术来提高频谱和功率效率。信号相位的可重复性，可预测性和可调性在现代通信和仪器仪表应用中都发挥着越来越重要的作用。

所有是相对的

指代一个阶段是没有意义的测量，除非它是相对于另一个信号或相对于原始相位。例如，双端口网络（如放大器）的矢量网络分析仪（VNA）的相位测量将输出相位称为输入相位ANG（S21）。单个输入的相位将反射相位称为入射相位ANG（S11）。在PLL合成器上，相位测量被称为输入参考相位或从一个信号到另一个信号。任何相位测量的圣杯或理想状态应与原始相位处于精确期望的值，但非线性，非理想性，温度差异和电路板走线以及其他制造差异意味着相位更多信号生成中的属性变量。出于本文的目的，术语同相是指具有完全相同的幅度和定时属性的信号;确定性阶段意味着它们之间的相位偏移是已知且可预测的。

示波器测量相位

为了比较两个不同频率的相位，高速示波器是比较输出相位与参考相位的相对直观的方法。为了可见，输入和输出阶段通常是彼此的整数倍。这在许多时钟电路中相对常见。对于整数N个PLL，输入频率（REF IN ）与输出频率（RF OUT ）之间的关系通常具有确定性和可重复性。只需将示波器探头放在REF IN 和RF OUT 上，但在确定相位已经稳定时，请注意仅捕获信号。复杂的示波器（如RTO1044）允许事件触发器仅在满足特定条件时激活：例如，当已将特定数字模式写入PLL设备并且存在来自已知信号的上升沿时。鉴于在数字模式的写入和最终信号的确定之间可能存在一些延迟，因此在两个事件之间插入一些延迟是至关重要的，这可以通过这种特殊的仪器模型实现。

图1中的测量目标是验证ADF4356 PLL相对于已知参考信号（在这种情况下，另一个编程为相同输出频率的ADF4356）的相位延迟是恒定的，并且在上电时是可重复的。为了正确设置仪器，两个低速探头连接到ADF4356 SPI接口的CLK和DATA线。一旦记录了写入特定频率的数字模式，在仪器捕获显示两个PLL输出的时域图之前，等待时间为1秒。

对于此测量，两个ADF4356 PLL锁定在4 GHz的VCO频率，并被8 MHz至500 MHz分频，其中一个使用软件断电功能重复关闭和打开电源。示波器采用无限余辉模式进行119次采集，两者之间的相位差是恒定且可重复的。遵循了一些预防措施以确保相位差是可重复的。低R分频器值引入的不确定性低于较高值，并且将来自VCO输出的分频反馈馈送到N计数器输入至关重要。鉴于ADF4356 PLL和VCO包含1024个不同的VCO频段，使用手动校准覆盖程序消除这种不确定性非常重要。

相位重新同步定义

相位再同步定义为小数N分频PLL在每个给定频率下返回相同相位偏移的能力。也就是说，当将通道改变为频率B时观察具有相位P1的频率A，当频率被重新编程回F1时，观察到相同的原始相位P1。该定义忽略了由于VCO漂移，漏电流，温度变化等引起的变化。

Resync向小数N，Σ-Δ调制器发送一个复位脉冲，该调制器将其置于已知的可重复状态。在完成VCO频段选择和环路滤波器建立时间等频率稳定机制之后，需要应用该复位脉冲。它的值由寄存器12中的超时计数器控制。在最近的PLL上，调整该复位脉冲的时序的能力使输出信号具有一定程度的可调节性，并能够以360°的步长改变其时序。 2 25 ，大多数仪器都可以轻松测量。

对于本实验，两个ADF4356 VCO都编程为4002.5 MHz并除以8。 PLL被编程为VCO频率为4694 MHz，然后编程回4002.5 MHz。使用示波器检查PLL的行为，可以看出，在1700频率变化后，PLL每次都会稳定在同一相位。

为了表征不同的相位偏移特征，相位字被编程为4194304/2 25 ，相当于90°。编程了90°，180°，270°和0°的相似值，并检查了示波器图（图3）。

相对于通道1上的原始信号，四个等间距观察信号，确认具有可编程偏移的相位再同步的准确性。

此功能非常有用，意味着可以为每个用户频率创建相位值查找表，每个用户频率都会拨打相位值使用。在将四个LO频率同相组合的应用中，相位再同步和偏移功能用于调整它们组合的输出相位，以提供低6 dB的相位噪声。如果用作可调谐LO（可能在信号分析仪的第一级），重新同步和相位偏移功能允许用户在上电时运行一次校准，以确定每个LO的精确相位值。在用作LO时，可以根据需要将相位值编程到每个LO，从而消除了在每个频率下校准的过程。

对于像网络分析仪这样的相位关键应用，电路可以在上电时测量每个频率的相位值，然后在必要时对它们进行编程，因为LO扫过感兴趣的范围。

测量相位，矢量信号和网络分析仪

矢量信号和网络分析仪对于表征相位行为也很有用，尽管它们的使用仅限于将器件的相位与其初始值进行比较。复杂的分析仪，如FSWP，可以置于FM解调模式并选择相位输出。

这对于评估ADF4356 PLL上存在的相位重新同步功能非常有用。下面的曲线（图5）显示，在输出频率为5025 MHz时，ADF4356相位变化180°。

相位调整

相位调整功能可避免重置Σ-Δ调制器，并简单地在0°到360°之间添加相位字到现有相位。这在不希望重置相位的应用中是有用的。它可用于动态调整相位字，以补偿由于温度等影响导致的相位差异。

相位调整会在每次更新R0时将相位添加到现有信号（编程到寄存器3的值）。它不包含像重新同步一样的复位脉冲。 FSWP下面的测量表明，原始信号增加了90°（图6）和270°（图7）。在这两种情况下，ADF4356的输出频率在更改相位之前设置为5025 MHz。

温度过高行为

因为电感的物理参数会发生变化温度，电气特性也是如此，这表现为相位的变化。为了减轻这种相位变化，用户可以编程所需的相位偏移以保持相同的相位。两个编程为4 GHz输出频率的ADF4356 PLL在同一个相位的同一个烤箱腔内密切跟踪彼此的相位（图2），因此这证明用户可以根据温度调整相位。

5G

波束成形是一种对5G网络架构至关重要的技术。在这些网络中，使用多个天线阵元素，每个元素具有不同的相位和幅度，以直接将天线能量引导到最终用户。对于此应用，相位可重复性至关重要。对于波束成形，LOphase需要是可重复的，如果相位不确定，则需要通过波束成形电路进行额外的校准。

图9显示了两个半波长的波长间隔四分之一波长并且相位驱动的波长。天线辐射图几乎是全向的，并且没有观察到波束形成。图10示出了由90°异相信号驱动的两个元件，并且所得到的辐射图案示出了辐射图案更集中的方式。随着元件阵列数量的增加，这可以使辐射方向图更准确地朝向最终用户，从而提高光谱效率。

相位再同步功能可确保不确定性在LO的相位特征中被消除。此外，调整此阶段的能力为用户提供了额外的杠杆，以克服电路中难以通过波束形成器或基带电路调整的其他相位延迟。

结论

相位重新同步将ADF4356和类似的PLL部件置于已知相位，从而实现了许多应用，并大大简化了校准程序。