科学技术的日益进步与发展,人们越来越追求于高精度的测量。频率作为现代物理中精度最高的物理量,许多不同的物理量的测量都转换到了频率的测量上,这就需要寻求更加精准的频率标准。光钟能将频率标准的精度提高到E-18或更高。由于它只在一个特定的频率输出激光,如果要用光钟开展高精度的精密测量,必须将光钟的频率稳定性、相干性和精度传递到其他光学或微波波段。于是,相位噪声优异的频率合成器便是实现这个目标的最佳手段。根据光钟系统的要求,本文设计了一款应用于光钟系统中的低噪声RF频率合成器,其输出频率范围为50MHz～500MHz,频率分辨率达到1μHz,测试结果表明:相位噪声性能为-88.39d Bc/Hz@10Hz,-116.19 d Bc/Hz@100Hz,-128.09 d Bc/Hz@1k Hz,-131.76d Bc/Hz@10k Hz,-131.03 d Bc/Hz@100k Hz。在对本设计的频率合成器进行相关理论研究和电路设计的过程中获得了如下的成果:1.通过调研分析光钟系统对频率合成器的性能要求,给出近年来国内外学者对低噪声频率合成器的研究现状,归纳总结出目前低噪声频率合成器的常用结构以及主流的性能指标,并确定本设计的低噪声RF频率合成器相位噪声指标及其他性能指标。2.对频率合成器相关理论进行研究。首先引入相位噪声的概念,并对其构成以及来源进行了分析。其次使用数学公式推导了频率合成过程中信号相位噪声的变化情况,提出了合成器的相位噪声等效分析模型。模型中,相位噪声主要由两部分贡献,第一部分来自于输入信号,其传递到输出端的相位噪声严格按照数学公式,计算结果符合实际结果。第二部分来自于合成器中的器件,包括白相位噪声、闪烁相位噪声和环境源相位噪声。合成系统中所有器件的白噪声之和构成了白相位噪声,在相噪曲线中表现为信号的噪底。其他相位噪声可依据它们之间的相关性在合成过程中消除或优化。最后对频率合成器的频率稳定度进行分析,给出了阿兰方差的推导过程。3.提出了本设计低噪声RF频率合成器的系统方案,即使用混合型频率合成方式,其主要模块包括:梳状谱发生器模块、点频合成模块、DDS模块、PLL模块、带宽扩展模块和目标频率合成模块。通过梳状谱发生器和点频合成模块产生低噪声频点,与DDS进行混频合成,将1MHz带宽基准频率扩展为10MHz带宽的基准频率,最后通过目标频率合成模块将10MHz带宽的基准频率与PLL输出信号及梳状谱发生器产生信号进行频率组合,扩展到50MHz～500MHz的最终输出频率。同时,对合成器的主要性能指标进行分析和理论计算,相位噪声理论最优值为-136 d Bc/Hz@10k Hz、频率分辨率最小为0.035μHz。4.具体阐述了本设计的频率合成器各模块的工作原理,给出了模块电路设计,并根据选取的器件参数以及模型,通过ADS软件进行仿真,验证了各模块电路的功能。5.使用Altium Designer工具完成对频率合成器的PCB绘制,并对各模块和整体性能进行了测试工作。各模块的测试结果如下:梳状谱发生器输出频谱平坦度较好,且功率值均在-16d Bm左右,测试结果吻合仿真结果。点频合成模块、PLL及DDS模块的输出相位噪声均满足系统设计要求,并且留有一定的性能裕度。各模块性能测试完成后,进行整体连接,对整体系统进行相位噪声测试,其结果如下:-88.39d Bc/Hz@10Hz,-116.19 d Bc/Hz@100Hz,-128.09 d Bc/Hz@1k Hz,-131.76 d Bc/Hz@10k Hz,-131.03 d Bc/Hz@100k Hz,系统性能满足设计要求。