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。

　　(a)模块划分

　　(b)总体框图

　　图1 X波段频率综合器组成框图

　　通过以上分析，我们将频综器分成两个模块，其组成框图如图1所示。中频源模块通过分频、倍频、锁相、滤波、放大等相应处理，产生100MHz、240MHz、300MHz和LO2信号;微波源模块主要是利用中频源模块产生的100MHz、240MHz、300MHz和LO2信号，通过混频、锁相、滤波、放大等相应处理，得到主振 (FT)等信号。

　　(1)相位噪声特性分析

　　对于恒温晶振，考虑到各路信号的频率稳定度、相位噪声要求以及15MHz输出精度为±100Hz，我们选用的恒温晶振的相位噪声为￡(1kHz)=-150dBc/Hz，设定频率精度为±0.5 ppm，温度稳定度为±0.5ppm，可以满足要求。

　　由于分频器存在基底相噪，为-140dBc/Hz@lkHz，考虑到12倍频对相噪的恶化，5、16分频对相噪的改善，则-150+20lg12-20lg(5×16)优于分频器的基底相噪，则15MHz信号的相噪应为￡(1kHz)=-140dBc/Hz左右，240MHz的相噪优于-130dBc/Hz@lkHz是容易保证的。同理，在300MHz合成源中，对晶振信号的倍频次数为3，则300MHz信号的相噪优于-150+20lg3=-140dBc/Hz@lkHz。

　　因15MHz的相位噪声为￡(1kHz)=-140dBc/Hz，而PLL中鉴相器ADF4106的相噪基底约为-146dBc/Hz@1kHz，PLL的分频比为N<80，所以LO2的相噪优于￡(1kHz)=-140+20lg80=-102dBc/Hz。

　　因240MHz的相位噪声优于-130dBc/Hz@1kHz，且PDRO对晶振信号的倍频次数<100，则它的相噪至少可达到-150+(20lg100+3)=-107dBc/Hz@1kHz，经过一级混频后，考虑到混频环节对相位噪声的影响，则LO1的相位噪声优于￡(1KHz)=-107+3=-104dBc/Hz，可以满足技术指标的要求。

　　同样地，经过两级混频后，考虑到混频环节对相位噪声的影响，则主振信号的相位噪声优于￡(1KHz)=-102+3=-99dBc/Hz，可以满足技术指标的要求。

　　(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±3o，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≤±2o，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

　　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。

　　图3 静态时一本振信号的相噪测试曲线

　　图4 静态时主振信号的相噪测试曲线

　　图5 X波段频率综合器实物图

　　5 结束语

　　基于PLL的频综器，由于其潜在的出色性能、相对的简单性和低成本而被普遍使用。本文主要介绍了针对恶劣的环境条件进行的技术攻关，充分发挥DAS和PLL的优点，获得了具有高稳定、低相噪、低杂散和捷变频等特性的全相参间接式频综器，并且全面达到环境适应性等方面的要求。

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