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admin 发表于 2015-4-28 10:48:50

X波段间接式频率综合器的设计

                1引言

                       频率源是所有电子系统(雷达、通讯、测控、导航等)的基本信号来源,其主要包括固定频率源和合成频率源两类。其中合成频率源又称频率合成(综合)器,按其构成方式可分为直接式和间接式。采用锁相环(PLL)技术的间接频率合成器目前应用最为广泛。直接模拟频率合成器(DAS)采用倍频器、分频器、混频器及微波开关来实现频率合成,具有最优的近端相位噪声和高速捷变频特性,但结构复杂、成本昂贵的特点限制其只能应用于雷达等高端领域。直接数字合成器(DDS)目前也得到了广泛应用,但高性能DDS产品的输出频率还有待提高,在微波领域其往往与锁相技术结合以混合方式实现微波频率合成。锁相技术与直接式倍频器或DDS相结合的混合式频率合成器在提高系统性能的同时降低了DAS合成方式的成本,已逐渐取代部分DAS合成频率源应用在高性能频率源领域。
                      
                        2主要功能、技术指标和方案分析

                        2.1主要功能及技术指标

                       根据技术要求,该频综器的输出信号包括一本振、主振等五路输出信号;二本振、主振信号分别为L波段、X波段的宽带捷变频输出,一本振信号为X波段的固定频率输出,另一路为15MHz固定频率TTL电平输出,并具有主振输出预调制、BPSK等功能,所有输出频率共用一个恒温晶体振荡器作为参考源,以确保各路输出频率相参。主振信号的主要技术指标如下:
                       输出频率:X波段(带宽大于200MHz)
                       频率间隔:15MHz
                       输出功率:10dBm±1dB
                       跳频时间:≤50μs
                       杂波抑制:≤-70dBc
                       相噪(dBc/Hz):-95 @1kHz    -100 @10kHz
                       -100 @10kHz-125 @1MHz
                      
                        2.2方案分析

                       由于系统对频综器的相位噪声指标要求比较高,所以针对固定输出或内部使用的频率点,我们采用DAS技术,通过分频、倍频、混频、滤波、放大等方式,得到所需要的输出频率。针对捷变频输出,因为相位噪声指标要求比较高,输出频率点较多,达12个频率点,而跳频时间要求≤50μs,所以采用单环PLL技术,先得到二本振(LO2)信号,再从二本振耦合一路输出与微波基准(PDRO)混频,将输出频率搬移到高频频段上,即可得到主振信号,这样做可保持相噪最佳,以保证二本振和主振信号的相位噪声和跳频时间指标。通过设计小体积的滤波器、微封装的放大器、开关等,合理地选择频率,配置功率电平,可充分发挥DAS低相噪和PLL捷变频的优点,并且能够满足杂波抑制等技术指标的要求。
               
                       (2)杂散特性分析
                       实践证明,2:l的阻带/通带比是一个合理而实际的下限值。在这一原则指导下,我们可以根据中心频率f0附近杂散分布情况,合理选择带通滤波器的带宽和抑制指标。
                      
                       240、300、1200MHz带通滤波器选用LC滤波器,其特性为在通带内插损较小(约3dB),而对于带外抑制应有70dB以上;低通滤波器也采用LC滤波器,其特性为在通带内插损较小(约1dB),而对二次谐波的抑制应达到40dB,这样15MHz和240MHz等信号的谐波、杂波抑制均可达到要求。
                      
                       在锁相环内,由于环路自身的窄带跟踪滤波特性,可以使杂散减小至要求的范围内。实践证明,通过环路滤波器的优化设计以及采用良好的屏蔽措施,可使二本振的杂波抑制有很大的改善,可以达到-75dBc。
                      
                       对一本振和主振合成源来讲,最关键的问题是要采取良好的隔离和滤波措施。通过提高功分器的隔离度,以及腔体分隔、减少共用部分,在很大程度上避免混频器LO端口的信号反串,使一本振和主振信号的隔离度达到要求;在三个混频器后面的滤波环节中,为抑制杂散,关键是滤波器的设计:我们采用了三个腔体微波滤波器,可以在保证220MHz通带内(对点频为窄带)插损较小(约2dB)的前提下,有效地滤除本振泄漏以及三阶交调等杂散分量,使一本振和主振信号的杂波抑制能满足要求。
                      
                       (3)其它性能分析
                       对于0-π调相器,考虑到主振信号的BPSK调制精度为±3?,我们选用的调制器的插损≤3.2dB,幅度不平衡≤0.2dB,相位不平衡≤±2?,可以满足要求。
                      
                       由于SPST1和BPSK的驱动电路延迟以及各自的响应时间不可能做到完全一致,它们的调幅码和调相码的时序需要通过主机进行适当的同步(响应快的要延迟一点)。
                      
                        3电路设计

                        3.1PLL输出频段的选择(混频比设计)

                       在频综器的设计中,混频器的设计非常重要,一般应选择高隔离度高三阶交调的混频器。在选择好的混频器的基础上,混频比的设计变得更为重要,因为混频器会产生大量的交互调产物。所以正确选择工作频率使交互调频率远离有用频率,以便滤波器较容易的滤除交互调频率,减小杂散输出。考虑到滤波器的性能的限制,我们选定LO2工作于L波段,使混频比为fLO2/fPDRO=0.1,同时适当减小输入幅度,可以降低高阶交调产生的杂散。
                      
                        3.2环路滤波器的设计

                       这里,选用较高的鉴相频率,可以加强锁相环抑制参考边带的能力。同时,较高的鉴相频率可以允许宽的环路带宽,从而加快频率捷变时间,保证跳频时间指标要求。
                      
                       我们使用ADIsimPLL Ver 3.0来计算环路参数,如取fVCO=900~1200MHz,KV=30MHz/V,fn=200kHz,相位裕量为45°,可算得图2中的环路参数:
                      
                       
                        图2PLL环路滤波器
                      
                       在调试过程中,我们发现运放的噪声电压、噪声电流、转换速率、偏置电压/电流等参数对环路的相噪以及跳频时间影响特别大,所以必须采用优质的运放和电源。
               
                        3.3电路布局和电磁兼容设计

                       (1)合理的电路布局
                       通过详细地分析、计算各部分电路中的频率分量分布情况及其电平大小,为设计或采购适当的元器件提供了合理的依据。电路布局设计和结构设计同时进行,并充分考虑了电磁兼容性、可靠性、抗振性、散热、工艺等方面的问题,以使电路设计布局合理,电路和结构达到良好地配合。
                      
                       (2)优质电源和良好的电磁兼容设计
                       在本频综器中,各有源电路需要低纹波的直流电源以及相关的控制信号。对电源/控制接口进来的电源采取良好的滤波措施(π型)、正电源转换成负电源,以及对各种控制信号进行适当的转换,都是本单元电路的任务。特别值得一提的是,由于系统只提供正电源,而本频综器中的微波开关等电路需要-5V电源才能正常工作,所以必须利用+15V转换出-5V电源。由于采用的正负电压转换器中有一个频率为5kHz左右的振荡电路,其振荡信号很容易从其输入、输出端(尤其是输入端)串扰到其它电路,造成各路输出信号近载频杂散较大,所以必须在正负电源转换器的输入、输出端增加稳压块,起到稳压及隔离5kHz串扰信号的作用。
                      
                       另外必须在适当的地方增加EMI滤波器以防止各部分之间的信号相互串扰,保证杂波抑制性能。
                      
                        4研究结果

                       该频综器一次性通过了规定的各种环境试验,技术协议规定的主要技术指标及测试结果见表1。
                      
                表1主要技术指标测试结果
                                                                                                                                                                      测试项目
                                                                                                                                                       设计指标
                                                                                                                                                       实测结果
                                                                                                                                                                                                       杂波抑制
                                                                                       (dBc)
                                                                                                                                                       二本振(L波段)
                                                                                                                                                       ≤-70
                                                                                                                                                       ≤-73
                                                                                                                                                                                                       一本振(X波段)
                                                                                                                                                       ≤-70
                                                                                                                                                       <-75
                                                                                                                                                                                                       主振(X波段)
                                                                                                                                                       ≤-70
                                                                                                                                                       ≤-72
                                                                                                                                                                                                       相位噪声
                                                                                       (dBc/Hz
                                                                                      @1kHz)
                                                                                                                                                       二本振
                                                                                                                                                       ≤-100
                                                                                                                                                       <-102(振动下≤-90)
                                                                                                                                                                                                       一本振
                                                                                                                                                       ≤-100
                                                                                                                                                       <-104(振动下≤-90)
                                                                                                                                                                                                       主振
                                                                                                                                                       ≤-95
                                                                                                                                                       <-98(振动下≤-86)
                                                                                                                                                                                                       捷变频
                                                                                                                                                       跳频带宽
                                                                                                                                                       >200MHz
                                                                                                                                                       >200MHz
                                                                                                                                                                                                       跳频步进
                                                                                                                                                       15MHz
                                                                                                                                                       15MHz
                                                                                                                                                                                                       跳频时间
                                                                                                                                                       ≤50μs
                                                                                                                                                       ≤40μs
                                                                                                     
                       其中,LO1在静态条件下的相噪测试曲线见图3,主振信号在静态条件下的相噪测试曲线见图4。可见,由于受体积限制,我们没有采用较复杂的混频分频式锁相环,产生的捷变频二本振信号相噪已经很低,经上变频后,由于PDRO的相噪比较好,混频器等环节对相噪的恶化比较小。根据测试结果来看,各项指标均满足要求,特别是采取晶振隔振等措施后,在振动条件下三个轴向的相位噪声仅恶化10dB(@1kHz)左右,比不采取隔振措施要好许多,体现了我们较高的隔振设计水平。频综器实物图见图5。
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