基于垂直互聯(lián)工藝的小型化低相噪毫米波頻率源設(shè)計(jì)?

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

頻率源被譽(yù)為無(wú)線電系統(tǒng)的心臟，其性能的優(yōu)劣直接影響到整機(jī)的性能。隨著毫米波無(wú)線電通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)迅猛發(fā)展，對(duì)于頻率合成源也提出了越來(lái)越高的要求［1］。

本文設(shè)計(jì)了一款低相噪多路輸出毫米波頻率源，為某毫米波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)提供本振信號(hào)，其主要指標(biāo)如下：1）四路固定頻點(diǎn)輸出：29.8GHz、30.8GHz、31.8GHz、32.8GHz；2）輸出功率 ≥ 10dBm；3）雜散 ≤ -55dBc；4）輸出相噪 ≤ -100dBc/Hz@1kHz（參考頻率 100MHz，相噪為-155dBc/Hz@1kHz）；5）尺寸為145mm×110mm×18mm。

該頻率源的難點(diǎn)主要在于：1）低相位噪聲輸出；2）尺寸小通道多，射頻走線存在交叉。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有低相噪頻率源大多采用倍頻器（尺寸大）或者PDRO（功耗大、電壓高）來(lái)實(shí)現(xiàn)，且貨架產(chǎn)品中極少有毫米波源。直接采用四個(gè)倍頻器/PDRO組成多通道毫米波源，會(huì)帶來(lái)體積大、功耗大、成本高、信號(hào)串?dāng)_嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，研制低相噪小型化的多路輸出毫米波頻率源產(chǎn)品具有很重要的工程實(shí)用價(jià)值。

2 頻率源原理方案

從形成理論到發(fā)展至今，頻率合成技術(shù)可以分為以下四種：直接模擬合成（DAS）、間接合成（PLL）、直接數(shù)字合成（DDS）、混合頻率合成。對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的頻率源，相位噪聲是非常重要的指標(biāo)，以下是幾種情況下相噪的計(jì)算方法［2～3］。

理想倍頻器的輸出相噪可表示為［4］

其中，Lout為輸出信號(hào)相位噪聲，Lref為輸入?yún)⒖夹盘?hào)相位噪聲，N為倍頻系數(shù)（反映輸出信號(hào)與參考信號(hào)的惡化程度）。以32.8GHz頻點(diǎn)為例，理論直接倍頻輸出時(shí)相位噪聲為：L=-155+20log（32.8/0.1）≈-104dBc/Hz@1kHz。

對(duì)于理想混頻器，其輸出信號(hào)相位噪聲為兩個(gè)不相關(guān)的輸入信號(hào)相噪相加［5］：

Sφ1(f)與 Sφ2(f)為混頻器兩個(gè)輸入信號(hào)相噪，即理想混頻器的輸出相噪具有疊加性。

對(duì)于鎖相環(huán)輸出信號(hào)，在環(huán)路帶寬以內(nèi)的相位噪聲計(jì)算如下［6～7］：

其中，L(1 Hz)為鑒相器的基底噪聲，F(xiàn)p為鎖相環(huán)鑒相頻率，N為倍頻系數(shù)。受參考相噪、鑒相器基底噪聲、電源紋波等影響，PLL實(shí)際輸出相噪遠(yuǎn)高于倍頻信號(hào)相位噪聲。

根據(jù)以上分析，直接倍頻輸出32.8GHz，其理論相噪與指標(biāo)相比僅有4dB的余量。為滿足相位噪聲指標(biāo)，該頻率源需采用DAS或者混合頻率合成技術(shù)。毫米波DAS電路包含多級(jí)倍頻濾波放大電路，尺寸、功耗、體積均比較大。本文提出了一種諧波+混頻的頻率合成設(shè)計(jì)方案：1）中頻信號(hào)由諧波發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)功分濾波器輸出四路，IF1（5GHz）、IF2（6GHz）、IF3（7GHz）、IF4（8GHz）；2）本振信號(hào)LO（24.8GHz）由參考信號(hào)直接無(wú)源倍頻產(chǎn)生，功分四路至混頻器與上述四路中頻信號(hào)混頻；3）對(duì)混頻后的四路射頻信號(hào)濾波、放大處理，最終輸出四路低相噪毫米波射頻信號(hào)RF1（29.8GHz）、RF2（30.8GHz）、RF3（31.8GHz）、RF4（32.8GHz），其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 毫米波頻率源設(shè)計(jì)原理圖

3 關(guān)鍵電路仿真設(shè)計(jì)與整機(jī)ADS仿真

3.1 高頻垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從方案設(shè)計(jì)原理圖1中可以看出，對(duì)于多通道混頻電路來(lái)說(shuō)，必定面臨著射頻走線交叉的問(wèn)題。為保證傳輸性能，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用圖2所示垂直互聯(lián)的方式：將中頻部分電路、毫米波混頻部分電路布置在微波殼體頂層，本振電路布置在底層，在各通道混頻器附近通過(guò)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)將本振信號(hào)傳輸至殼體頂層，既可避免射頻走線交叉，又能減小本振泄露的影響。

圖2 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型

圖2 所示的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，為微帶-同軸-微帶的過(guò)渡形式。圖中圓圈范圍內(nèi)，同軸內(nèi)導(dǎo)體延伸部分及微帶末端會(huì)引入寄生電感，在傳輸TEM模的同軸傳輸線與準(zhǔn)TEM的微帶線間，不可避免地引入阻抗不連續(xù)［8～9］。隨著頻率的增加，這一不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致較大的插損與回波損耗，嚴(yán)重限制了該過(guò)渡結(jié)構(gòu)在Ku以上波段的應(yīng)用。

無(wú)損耗傳輸線的等效模型如圖3所示，利用基爾霍夫電壓和電流定律得到以下兩式：

傳輸線特征阻抗Z0計(jì)算可表示為［10］

圖3 無(wú)損傳輸線等效模型

由式（8）可知，無(wú)損傳輸線特征阻抗的平方正比于單位長(zhǎng)度的等效電感與等效電容之比。同軸線與微帶線等效參數(shù)如表1所示。為減小寄生電感帶來(lái)不連續(xù)性，可以通過(guò)增加等效電容，即改變同軸空氣腔的直徑與微帶末端傳輸線尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)［11～12］。

表1 無(wú)損傳輸線的參數(shù)

根據(jù)以上分析，對(duì)該垂直互聯(lián)模型進(jìn)行匹配優(yōu)化，其仿真模型如圖4所示，仿真優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。圖5中虛線為優(yōu)化前過(guò)渡結(jié)構(gòu)回波損耗，實(shí)線為優(yōu)化后過(guò)渡結(jié)構(gòu)回波損耗與插損。優(yōu)化后的過(guò)渡結(jié)構(gòu)回波損耗得到明顯改善，尤其是工作頻點(diǎn)附近，從原來(lái)的-15dB降低到了-27dB，插損也降低至0.3dB。

圖4 優(yōu)化后垂直互聯(lián)電路HFSS模型

圖5 優(yōu)化與未優(yōu)化垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)回波損耗對(duì)比

3.2 垂直互聯(lián)與毫米波功分器聯(lián)合仿真

本振信號(hào)功分四路后，經(jīng)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)傳輸至混頻單元。該功分器對(duì)于回波損耗、通道隔離度的指標(biāo)要求很高：垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)駐波很敏感，功分器的回波損耗會(huì)嚴(yán)重影響互聯(lián)信號(hào)的插損；通道間信號(hào)頻率相近，經(jīng)混頻器泄露的信號(hào)會(huì)通過(guò)功分器串入相鄰?fù)ǖ?，引入難以濾除的雜散。將傳統(tǒng)威爾金森功分器優(yōu)化后，與互聯(lián)結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真，仿真電路與結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖7可以看出，該結(jié)構(gòu)的插損約7.3dB，通道間隔離度最差約-35dB，滿足使用要求（本振驅(qū)動(dòng)放大器反向隔離度-30dB）。

圖6 聯(lián)合仿真電路模型

圖7 電路HFSS仿真結(jié)果

3.3 高抑制度濾波器的設(shè)計(jì)

中頻電路部分為鏈路提供四路中頻信號(hào)，其頻率分別為 5GHz、6GHz、7GHz、8GHz。四路信號(hào)均由諧波發(fā)生器生成，經(jīng)過(guò)功分、濾波后輸出。中頻信號(hào)濾波器組使用發(fā)夾線濾波器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、指標(biāo)性能好且工程上易實(shí)現(xiàn)，仿真模型如圖8所示。

仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出，濾波器帶內(nèi)插損 ≤1.4dB，帶外抑制（距中心點(diǎn) ≥1GHz）＞75dBc，滿足本文設(shè)計(jì)要求。

圖8 帶通濾波器仿真模型

圖9 低通濾波器仿真結(jié)果

3.4 射頻鏈路仿真

根據(jù)圖1所示原理圖，在ADS中設(shè)計(jì)了射頻鏈路仿真電路，如圖10所示。放大器、倍頻器設(shè)置為理想器件，混頻器與濾波器輸入仿真數(shù)據(jù)或者廠商手冊(cè)中的數(shù)據(jù)。

圖10 射頻鏈路仿真電路圖

圖11 與圖12給出了最高頻點(diǎn)的仿真結(jié)果。從圖11中可以看出輸出功率達(dá)到15.9dBm，雜散＜-75dBc，實(shí)測(cè)結(jié)果會(huì)因?yàn)槠骷抢硐胄杂兴鶒夯?。圖12為相位噪聲仿真圖，從上至下三條線分別為32.8GHz、24.8GHz、8GHz對(duì)應(yīng)相噪，可以看出最高頻點(diǎn)32.8GHz的輸出相位噪聲約-104.6dBc/Hz@1kHz，滿足使用要求。

圖11 32.8GHz雜散與功率

圖12 32.8GHz相位噪聲

4 實(shí)物制作與測(cè)試

4.1 實(shí)物加工

本組件采用微組裝工藝加工電路，整個(gè)電路射頻部分制作在RO 5880的軟基片上，并采用裸芯片鍵合等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的處理與傳輸。濾波器、功分器等采用同樣厚度同樣型號(hào)的PCB基板，可直接集成在微帶電路中。

將設(shè)計(jì)好的頻率源進(jìn)行電路和腔體的加工，組裝完成后的實(shí)物圖如圖13所示，實(shí)物尺寸為145mm×110mm×18mm。

圖13 頻率源實(shí)物圖

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖14 與表2所示為該頻率源的實(shí)測(cè)結(jié)果。常溫下該組件正常工作電壓、電流值為+6V/1.6A。四個(gè)頻點(diǎn)的相位噪聲最差為-103.1 dBc/Hz@1kHz，功率 ≥10dBm，雜散均能滿足-55dBc的要求。

圖14 頻率源相位噪聲測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，四個(gè)通道相位噪聲最差為-103.1dBc/Hz@1kHz，與仿真計(jì)算相比，指標(biāo)幾乎沒有惡化；輸出功率均 ≥10dBm，雜散抑制最差點(diǎn)為-58dBc，滿足指標(biāo)要求，充分說(shuō)明了本組件電路設(shè)計(jì)的合理性。

表2 測(cè)試結(jié)果及指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種毫米波頻段低相噪小型化頻率源的設(shè)計(jì)方案，該方案利用諧波發(fā)生器產(chǎn)生多路中頻信號(hào)，與倍頻信號(hào)混頻，得到多路低相位噪聲毫米波信號(hào)。在組件設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用HFSS三維電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了組件中使用的濾波器、功分器等無(wú)源器件；利用絕緣子垂直對(duì)穿電路，避免了射頻電路的交叉。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，該頻率合成組件具有相噪低、尺寸小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。