應用于某型號雷達產(chǎn)品中的Ku波段頻率合成器的設計

Ku 波段頻率合成器主要功能是提供具有一定隔離度的兩路相參2 cm 波段的輸出頻率，經(jīng)系統(tǒng)倍頻后作為發(fā)射機的發(fā)射信號和接收機的本振信號。如何使Ku 波段頻率合成器具有高頻率穩(wěn)定度、低相位噪聲、低雜散、小體積以及高隔離度等特性，是當今設計人員主要的研究方向。

1、主要技術指標

( 1) 晶振頻率: ( 略) 。

( 2) 輸出射頻頻率: 本振信號，頻率2 cm 波段； 發(fā)射信號，頻率f R = f L - f I ( 檢測信號頻率同發(fā)射信號頻率) 。

( 3) 本振信號和發(fā)射信號的單邊帶相位噪聲: 小于等于- 96 dBc/ Hz@10~ 500 kHz。

( 4) 本振信號和發(fā)射信號無用頻率分量: 小于等于- 70 dBc。

( 5) 隔離: 本振電路對發(fā)射信號的隔離大于等于105 dB； 發(fā)射電路對本振信號的隔離大于等于90 dB。

( 6) 發(fā)射電路預調制: 開關通斷比大于等于85 dB。

2、主要技術途徑

2. 1 頻率合成的類型

通常頻率合成器可以被分成直接式頻率合成器、直接數(shù)字式頻率合成器及鎖相式頻率合成器三種類型，其中最后一種頻率合成器也被稱為間接式頻率合成器。很多情況下，頻率合成器是由多種類型相結合形成的。

2. 1. 1 直接式頻率合成器

直接模擬頻率合成器是最先出現(xiàn)的一種合成器類型的頻率信號源。這種頻率合成器原理簡單，易于實現(xiàn)。其合成方法大致可分為兩種類型: 一種是所謂的非相關合成方法； 另一種是所謂相關合成方法。這兩種合成方法之間的主要區(qū)別是所使用的參考頻率源的數(shù)目不同而已。

直接式頻率合成器的顯著特點是: 分辨率高； 頻率轉換速度快( 小于100us) ； 工作穩(wěn)定可靠； 輸出信號頻譜純度高。缺點就是使用的元件太多，很難集成，而且功耗較大，很難用于移動通信中。

2. 1. 2 鎖相式頻率合成器

鎖相環(huán)路( Phase Lo cked Loo p) 是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，它的輸出信號的相位能自動跟蹤輸入信號相位。鎖相環(huán)路之所以能夠進入相位跟蹤，實現(xiàn)輸出與輸入信號的同步，是因為它是一個相位的負反饋控制系統(tǒng)。它由三個基本部件組成，分別是鑒相器( PD) 、環(huán)路濾波器( LPF) 和壓控振蕩器( VCO) 。其原理框圖如圖1 所示。

2. 1. 3 直接數(shù)字式頻率合成器

直接數(shù)字式頻率合成( Direct Digital FrequencySynthesis，DDS) 是近年來發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術。它將先進的數(shù)字處理理論與方法引入信號合成領域，標志著第三代頻率合成技術的出現(xiàn)。其主要優(yōu)點是相對帶寬很寬，頻率轉換時間極短( 可小于20 ns) ,頻率分辨率很高( 典型值為0. 001 Hz) ，全數(shù)字化結構便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控。因此，能夠與計算機緊密結合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。DDS 技術的實現(xiàn)完全是高速數(shù)字電路D/ A變換器*的產(chǎn)物。由于集成電路速度的限制，目前DDS 的上限頻率還不能做得很高。但GaAs( 砷化鎵) 材料在集成電路中的應用，使得DDS 上限頻率不夠高的缺陷正在不斷地被克服。

2. 2 DDS+ PLL 方案的簡單介紹

因為PLL 具有高頻率、寬頻帶、頻譜純度好的優(yōu)點，但其頻率切換速度低，只能達到??s 級，而DDS 具備高速頻率捷變能力( 可達到10 ns 級) ，相位分辨能力強，只要將二者相結合，可產(chǎn)生高精度，高速切換頻率的頻率合成器。現(xiàn)在的DDS+ PLL 混合頻率合成技術主要有以下三種比較成熟的方案，并在工程研制中得到應用。

2. 2. 1 DDS 激勵PLL 方案

DDS 激勵PLL 是最簡單和最直接的組合方案,PLL 設計成N 倍頻環(huán)，DDS 作為PLL 的參考信號，如圖2 所示。輸出信號的頻率分辨率為N ?? ( DDS 的頻率分辨率) ，DDS 在環(huán)路帶寬以內的雜散將帶入信號,且惡化20lo g N dB，頻率變換時間取決于PLL，原理框圖如圖2 所示。

圖2 DDS 激勵PLL 方案原理框圖

2. 2. 2 具有良好雜散性能的PLL 內插DDS 組合方案

為了解決DDS 雜散會被PLL 放大的問題，產(chǎn)生了PLL 內插DDS 方案。在本方案中輸出信號的頻率f OU T = f DDS + N f REF，DDS 的輸出信號不經(jīng)PLL 倍頻,因而相位噪聲和雜散不會在輸出端惡化，具有低的相位噪聲和好的雜散性能。方案中BPF2 需要濾除混頻產(chǎn)生的多余頻率分量，本身又會影響環(huán)路參數(shù)，具有一定的設計難度，且調頻速率也受PLL 的限制。原理框圖如圖3 所示。

圖3 PLL 內插DDS 組合方案原理框圖

2. 2. 3 轉換時間快捷的組合方案

DDS 與PLL 混頻后的輸出頻率為f OU T = f DDS +N f L ，此方案中PLL 作為本振信號保持不變，頻率轉換時間只由DDS 決定，可以充分體現(xiàn)DDS 頻率轉換快捷的特點。此外DDS 的雜散不會在輸出端惡化，具有較好的頻譜質量。原理框圖如圖4 所示。

圖4 原理框圖

2. 3 方案選擇

根據(jù)技術指標的要求，擬采用鎖相方案。鎖相方案也有兩種: 第一種是直接對2 cm波段VCO 進行鎖相,該方案的優(yōu)點是輸出頻帶較寬( 與2 cm 波段VCO 帶寬相同) ，缺點是由于器件引入相位噪聲的因素較多，分別受單片PLL 本底噪聲，分頻器以及壓控振蕩器噪聲的影響，具有眾多的惡化因素，相噪較差。第二種是在L 波段進行鎖相，在Ku 波段進行上變頻。該方案的輸出頻帶較窄，但相位噪聲性能好。由于該項目要求的輸出頻率帶寬為100 MHz，故采用第二種方式，這對于相位噪聲指標的實現(xiàn)是有利的。選用第二種方案，使得系統(tǒng)的大部分電路工作在Ku 波段以下的頻段，便于進行小型化、集成化設計，此外，在這種方案中可以選擇在L 波段頻率合成源的輸出端增加一級開關，以提高最終輸出的Ku 信號的通斷比。

綜合考慮硬件方面的實現(xiàn)難度及技術要求，在發(fā)射路中采用DDS 與PLL 混頻的方案，該方案既可以實現(xiàn)較高的頻率輸出，又具有較高的頻率分辨率。由于PLL 的頻率與DDS 的頻率相差太大，且有一定帶寬,如果兩者直接混頻的話，雜波在信號帶內無法濾除，所以DDS 先在一點頻源上變頻后再與PLL 混頻，這樣可以得到較好的雜波抑制?？傮w的設計框圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)原理框圖

3、詳細設計

3. 1 L 波段鎖相環(huán)的電路設計

L 波段PLL 采用的是普通的分頻鎖相方案。該方案中參考晶振的相位噪聲是- 154 dBc/ Hz@ 10 kHz,30 MHz DDS 參考輸入的相位噪聲基底為- 110 dBc/ Hz@10 kHz，在鎖相環(huán)中鑒相器的相位噪聲基底約為- 150 dBc/ Hz@10 kHz。

PLL 采用普通的分頻鎖相環(huán)，其分頻比N 為179~ 199。晶振分頻后的相位噪聲遠小于鑒相器的相位噪聲基底，因此應當以鑒相器的相位噪聲基底為參考來計算。

相位噪聲為:- 150+ 20 lg 199= - 104 dBc/ Hz@ 10 kHz

3. 2 2 cm 上變頻電路的設計

該上變頻模塊主要包括PDRO 以及兩個上變頻支路?？紤]到指標要求本振信號和發(fā)射信號的隔離度要達到105 dB，將兩路信號比較好的獨立開來，盡量減少共用部分，以免相互串擾。對上變頻模塊來講，最關鍵的問題是要采取良好的隔離和濾波措施。通過在功分器輸出等地方增加濾波器，減少共用部分，在很大程度上避免相互串擾，使本振信號和發(fā)射信號的隔離度最終達到120 dB。另外針對雜波抑制要求，每路在變頻之后，均采用介質濾波器。這種濾波器相對帶寬窄，帶內插損小和波動都較小，帶外抑制很好，并且容易集成，方便調試，可以在保證通帶的前提下，使其雜波抑制大于75 dB。所以通過優(yōu)化設計，最終輸出能滿足系統(tǒng)對雜波抑制的要求。需要注意的是，L 波段信號的雜波已被頻率源模塊中的濾波器徹底濾除，否則將會給后面的輸出濾波器帶來無法克服的困難，導致寄生雜散。

上變頻器采用普通的2 cm 混頻器，其本振為2 cm波段PLO( PLO 采用取樣鎖相方案，該方案具有體積小、相位噪聲特性好等優(yōu)點) 。將本振信號一分為二，作為兩個上變頻器的本振輸入，與兩路中頻端口的輸入信號混頻后分別得到兩路2 cm 的輸出信號。采用在功分器輸出端加內置式隔離器，并通過衰減、放大的方式，減小兩路信號通過功分器產(chǎn)生相互之間的串擾，增加兩路之間的隔離。為了減小體積，將以上電路進行了一體化設計。

2 cm PLO 的相噪約為- 97 dBc/ Hz@ 10 kHz。這是由于2 cm PLO 的相噪與中頻信號的相噪相差8 dB,所以混頻后的2 cm 信號的相噪惡化1 dB 左右,即- 96 dBc/ H z@10 kHz。

3. 3 主要技術難點及采取的措施

( 1) 選用低相噪恒溫晶振作為參考源，確保頻率合成器的低相位噪聲指標[ 9] 。采用成熟頻率合成技術，通過巧妙地結合，在L 波段進行鎖相，在Ku 波段進行上變頻。該方案的相位噪聲性能好，最終可滿足Ku 波段頻率合成器技術指標的要求。

( 2) 精心設計系統(tǒng)方案，并在方案設計中進行詳細的分析、計算，注意頻率選擇、功率電平，減少混頻交調產(chǎn)物，提高頻譜純度； 優(yōu)化選擇濾波器的形式，使得諧波及雜波的抑制度達到最佳性能。

( 3) 采用EMI 濾波器技術，降低電源干擾對輸出信號頻譜純度的影響，同時降低Ku 波段頻率合成器內部信號對外界的干擾，提高電磁兼容性。在電路設計中合理布局，采用表面貼裝技術，采取良好的濾波、接地及屏蔽等措施，可以減小信號相互之間的串擾，從而進一步改善頻譜性能，提高隔離度。在結構設計上采用多腔分隔及新材料屏蔽技術，提高屏蔽效能 。

( 4) 采用一體化設計技術和混合集成電路設計技術，實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。同時使得該產(chǎn)品使用維護方便，提高其可靠性和可維修性。

4、結 語

采用本方案設計的Ku 波段頻率綜合器使用于某型號雷達產(chǎn)品中，最終實現(xiàn)了本振信號和發(fā)射信號的隔離度可達到120 dB 以上，雜波抑制度達到了75 dB 以上，很大程度上減少了雷達因接收到泄漏的發(fā)射信號或雜波信號而截獲虛假目標的概率，并且能有效地提高雷達的檢測靈敏度。此外，采用此方案獲得的發(fā)射信號及本振信號都具有很好的相位噪聲特性，對提高雷達的多普勒頻率分辨力也有很大幫助。