一種利用數(shù)字微波分頻器實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍頻的方法

貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所 許友坤 杜 勇

一種利用數(shù)字微波分頻器實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍頻的方法

貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所 許友坤 杜 勇

頻率合成技術(shù)中常需要對輸入信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)倍頻。本文提供了一種利用數(shù)字微波分頻器實(shí)現(xiàn)對輸入信號(hào)分?jǐn)?shù)倍頻的方法，相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該方法更為簡潔，不僅減少了元器件的使用量，降低了功耗，而且使電路更加小型化。該技術(shù)在相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已得到了應(yīng)用，在低功耗、小型化頻率合成產(chǎn)品中具有較高的實(shí)用價(jià)值。

頻率合成；分?jǐn)?shù)倍頻；數(shù)字微波分頻器

一、引言

頻率合成器被稱為電子系統(tǒng)的“心臟”[1]，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航和電子對抗等設(shè)備中，現(xiàn)正朝著高性能、低功耗、小型化的方向發(fā)展。頻率合成技術(shù)中通常需要對輸入信號(hào)進(jìn)行分?jǐn)?shù)倍頻，從而實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的分?jǐn)?shù)倍頻，是采用先將輸入信號(hào)倍頻，然后再分頻的方式實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)方法需要使用微波放大器、倍頻器、帶通濾波器、分頻器和低通濾波器等微波器件，實(shí)現(xiàn)方式較為復(fù)雜。本文提供了一種利用數(shù)字微波分頻器實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍頻的方式，利用數(shù)字微波分頻器輸出信號(hào)類似方波的特性，僅需使用微波分頻器、帶通濾波器和微波放大器即可實(shí)現(xiàn)對輸入信號(hào)的分?jǐn)?shù)倍頻。該方法較傳統(tǒng)方式更為簡潔，不僅利于降低產(chǎn)品成本、節(jié)省功耗，還進(jìn)一步減小了電路尺寸。

二、原理分析

數(shù)字微波分頻器的功能實(shí)現(xiàn)主要依賴于時(shí)鐘控制下的鎖存器，主從鎖存器在時(shí)鐘的高電平和低電平分別進(jìn)行采樣和保持，從而實(shí)現(xiàn)分頻的功能[2]。典型的二分頻器內(nèi)核原理如圖1所示。

圖1 二分頻器內(nèi)核原理圖

由于采用的是數(shù)字電路技術(shù)，數(shù)字微波分頻器的輸出信號(hào)在時(shí)域上呈周期性類方波特性，其輸出波形如圖2所示。

圖2 數(shù)字微波分頻器輸出波形

根據(jù)信號(hào)分析原理[3]，對方波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，可得到其傅里葉級(jí)數(shù)：

式中f(t)為方波函數(shù)，E為方波的幅度。

由上式可知，方波的頻譜只包含基波和奇次諧波的頻率分量，且諧波幅度以1/n的規(guī)律遞減。由于數(shù)字微波分頻器輸出波形接近方波，因此其輸出信號(hào)的頻譜特性遵循上述規(guī)律。為驗(yàn)證數(shù)字微波分頻器輸出信號(hào)的頻譜規(guī)律，現(xiàn)將2.4GHz輸入信號(hào)通過微波四分頻器，得到圖3所示的輸出頻譜圖。

圖3 四分頻器輸出頻譜圖

從圖3可以看出，四分頻器輸出信號(hào)的基波功率最大，依次為三次諧波、五次諧波，同時(shí)還存在功率較小的偶次諧波分量。由于分頻器輸出為非理想方波，因此與方波頻譜理論值存在一定差異，但其總體規(guī)律符合上述的理論分析。

通過上述分析可知，數(shù)字微波分頻器輸出端存在功率可觀的奇次諧波分量?；诖耍梢酝ㄟ^選擇適當(dāng)分頻比的分頻器，在其輸出端端接帶通濾波器即可獲得分?jǐn)?shù)倍的頻率，從而實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍頻的目的。采用該方式，可以明顯簡化倍頻電路設(shè)計(jì)，降低功耗，縮小電路尺寸。

三、電路設(shè)計(jì)與測試結(jié)果

基于某頻率合成器產(chǎn)品的需求，需將2GHz輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為3GHz輸出信號(hào)，且主要指標(biāo)為：

（1）輸出功率：不小于-20dBm；

（2）雜波抑制：優(yōu)于-55dBc；

（3）相位噪聲：優(yōu)于20logN+3。為實(shí)現(xiàn)對輸入信號(hào)的3/2次倍頻。根據(jù)上節(jié)的分析結(jié)論，采用圖4所示的方式來實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。

圖4 3/2倍頻電路原理圖

選用HMC361S8G作為倍頻用二分頻器，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[4]。

表1 HMC361S8G主要技術(shù)參數(shù)

圖5 發(fā)夾型微帶帶通濾波器仿真模型

從表1可知，分頻器具有低至-148dBc/Hz@100kHz的底噪，可保證3GHz輸出信號(hào)能獲得優(yōu)質(zhì)相位噪聲。

根據(jù)微帶濾波器設(shè)計(jì)理論[5]，設(shè)計(jì)中心頻率為3GHz、帶寬為500MHz的發(fā)夾型微帶帶通濾波器作為選頻器件，其板材為rogers4350，厚度為0.254mm，濾波器階數(shù)為5階。發(fā)夾型微帶帶通濾波器仿真模型及電磁仿真曲線分別如圖5和圖6所示。

圖6 發(fā)夾型微帶帶通濾波器仿真曲線

圖7 3GHz輸出信號(hào)頻譜圖

圖8 輸入輸出信號(hào)相位噪聲測試曲線

從圖6的仿真曲線可知，濾波器在1GHz處的雜波抑制優(yōu)于-75dBc，在2GHz、4GHz和5GHz處雜波抑制均優(yōu)于-55dBc。根據(jù)分頻器輸出信號(hào)頻譜分布規(guī)律，濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)可以滿足-55dBc雜波抑制的要求，且有一定工程余量。

根據(jù)選用的器件及濾波器的設(shè)計(jì)版圖完成了3/2倍頻電路的PCB設(shè)計(jì)以及結(jié)果測試。3GHz輸出信號(hào)的頻譜圖如圖7所示，2GHz輸入信號(hào)相位噪聲與3GHz輸出信號(hào)相位噪聲測試曲線如圖8所示，相位噪聲變化對比如表2所示。

表2 輸入輸出信號(hào)相位噪聲對比

從圖7可以看出，輸出信號(hào)功率滿足技術(shù)要求。由表2可知，3GHz輸出信號(hào)相位噪聲惡化符合20logN=20log（3/2）=3.52dB的規(guī)律，倍頻附加相噪幾乎可以忽略，獲得了優(yōu)良的相位噪聲指標(biāo)。

四、結(jié)論

本文提供了一種利用數(shù)字微波分頻器輸出信號(hào)類似方波的特性，通過簡潔的技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的分?jǐn)?shù)倍頻。測試數(shù)據(jù)表明，采用數(shù)字微波分頻器對輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍頻的技術(shù)路徑是可行的。而該技術(shù)的應(yīng)用，也為分?jǐn)?shù)倍頻電路的小型化設(shè)計(jì)提供了一條新的技術(shù)途徑。

[1]張獻(xiàn)中,張濤．頻率合成技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(3):142-145．

[2]陳鳳霞,默立冬,吳思漢．微波寬帶單片集成電路二分頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．半導(dǎo)體技術(shù),2008,33(2):164-166．

[3]鄭君里,應(yīng)啟珩,楊為理．信號(hào)與系統(tǒng)[M]．北京:高等教育出版社,2000．

[4]Analog Devices,Inc．HMC361S8G datasheet．2010,1-6．

[5]J．S．Hong,M．J．Lancaster．Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M]．New York:John Wiley & Sons,Inc,2001．

許友坤，男，畢業(yè)于電子科技大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，主要從事微波頻率合成電路設(shè)計(jì)。