X波段间接式频率综合器的设计

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                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

                        3.1  PLL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[1]。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2  PLL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[2]。频综器实物图见图5。