基于VCO的超寬帶數(shù)字調(diào)諧振蕩器的設(shè)計

田德民，張學成，韋 煒

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電子對抗發(fā)揮了越來越重要的作用，而有源干擾是一種十分重要的對抗手段，其干擾技術(shù)包括壓制式干擾和欺騙式干擾兩種。[1]現(xiàn)代電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)對象所覆蓋的頻段越來越寬，要實現(xiàn)對作戰(zhàn)頻帶內(nèi)的作戰(zhàn)對象的有效覆蓋，就需要一種超寬帶、快速捷變和具有數(shù)字調(diào)諧功能的頻率源。實現(xiàn)超寬帶的頻率源，可以采用的方法包括直接頻率合成技術(shù)、間接頻率合成技術(shù)、基于VCO的數(shù)字調(diào)諧技術(shù)以及混合式頻率合成技術(shù)等。直接頻率合成技術(shù)目前常用的為直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizing，DDS)[2]，其具有分辨率高、跳頻速度快的特點，但其絕對帶寬窄[3]，雜散豐富。間接頻率合成技術(shù)常用鎖相環(huán)(PLL)來實現(xiàn)，但PLL頻率轉(zhuǎn)換時間長，還存在高分辨率和寬頻帶覆蓋之間的矛盾。[4]基于VCO的數(shù)字調(diào)諧技術(shù)采用單個VCO，具有調(diào)制簡單、絕對帶寬較寬、頻率捷變速度快的優(yōu)點，但也有頻帶內(nèi)調(diào)制增益非線性的缺點。混合式頻率合成技術(shù)是在以上3種頻率源實現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，借鑒各方法的優(yōu)缺點，根據(jù)實際需求場景而選用的一種合成技術(shù)，但使用局限性較大，不在本文論述范圍。

本文首先比較了3種頻率源實現(xiàn)方法的優(yōu)缺點，最終針對現(xiàn)代有源電子干擾的作戰(zhàn)需求，選擇了采用基于VCO的數(shù)字調(diào)諧技術(shù)實現(xiàn)超寬帶數(shù)字調(diào)諧頻率源。其方法為利用多個窄帶VCO拼接來達到超寬的頻帶覆蓋；利用高速DAC技術(shù)和高速運算放大器實現(xiàn)了頻帶內(nèi)的快速頻率捷變；通過可變增益控制技術(shù)來保證了頻帶內(nèi)不同頻點的調(diào)諧一致性；利用線性插值校正表和恒溫的方法保證了頻率源輸出和輸入控制碼的線性，從而實現(xiàn)了寬頻帶、高分辨率、快速捷變、全頻段調(diào)諧一致的線性數(shù)字調(diào)諧振蕩器。

1 實現(xiàn)原理

要實現(xiàn)超寬帶的頻率源，其基本技術(shù)手段是將模擬、數(shù)字及頻率合成等相關(guān)技術(shù)通過合理組合得到頻率帶寬、頻率間隔和頻率轉(zhuǎn)換時間等不同指標的頻率源，以滿足不同應用場合。從技術(shù)實現(xiàn)上基本可以分為直接頻率合成(DDS)、間接頻率合成以及數(shù)字調(diào)諧等。

1.1 直接頻率合成技術(shù)

DDS技術(shù)一般又可分為直接模擬頻率合成和直接數(shù)字頻率合成，其中直接模擬頻率合成一般采用一個或多個晶體振蕩器，所需不同頻率分別由這些振蕩器決定，通常所需的各種頻率可經(jīng)過分頻、倍頻、混頻以及相應的濾波器組合來實現(xiàn)。直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是通過相位查找表，結(jié)合DAC以及后端的濾波器，最終得到所需要的頻率。

以直接數(shù)字頻率合成為例，DDS技術(shù)提出以來迅速在頻率合成領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注和大量應用，其基本原理框圖如圖1所示。DDS的理論是基于Nyquist采樣定理，將一個周期的正弦波信號進行相位/幅度抽取量化，量化后的幅度值存儲在ROM中，ROM存儲單元的地址對應相位取樣地址。DDS工作時，在時鐘的控制下，周期性地讀取ROM中存儲的數(shù)據(jù)，輸出通過DAC和低通濾波器得到所需頻率的信號。[5]

DDS輸出信號表示為式(1)，其中L代表頻率分辨率：

(1)

DDS技術(shù)具有相對帶寬寬、頻率捷變速度快、頻率分辨率高、可編程等優(yōu)點。但是，由于受到器件(DAC、ROM)速度的限制，其最高輸出頻率無法達到很高(目前國內(nèi)外見諸應用的最高頻率小于3 GHz)，絕對帶寬也就較低，同時其輸出信號雜散寄生分量大，功耗高。DDS較低的最高輸出頻率決定了其絕對帶寬較窄，而要實現(xiàn)超寬帶頻率覆蓋的頻率源，必須通過增加相應的微波模塊來實現(xiàn)頻段的擴展。這就增加了成本和設(shè)備量，限制了其適用的范圍。

圖1 DOS基本原理框圖

1.2 間接頻率合成技術(shù)

間接頻率合成技術(shù)一般通過鎖相環(huán)(PLL)的方法來實現(xiàn)。它是一個閉環(huán)相位控制系統(tǒng)，利用相位反饋原理，通過比較輸入信號與輸出信號之間的相位差實現(xiàn)兩者的同步，從而達到控制輸出信號頻率的目的。[6]其原理框圖如圖2所示。

圖2 PLL原理框圖

從圖2可以看出，典型PLL電路包含3個功能模塊，即壓控振蕩器(VCO)、鑒相器(PD)和環(huán)路濾波器(LF)。鎖相環(huán)按其構(gòu)成方式的不同可以分為混合信號鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)、全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL)和軟件鎖相環(huán)(SPLL)等幾種。

針對有源電子干擾而言，通常需要極其快速的調(diào)頻反應時間(微秒級)，才能實現(xiàn)時域有效覆蓋和頻域快速響應，達到有效干擾。而無論哪種鎖相環(huán)，其均包含有反饋閉環(huán)系統(tǒng)，而反饋閉環(huán)系統(tǒng)的存在，其優(yōu)點是頻率鎖定準確，可以抑制疊加到輸入信號上的噪聲，而缺點是鎖定時間過長(大于幾十微秒量級)。當使用與現(xiàn)代復雜電磁環(huán)境下的電子對抗系統(tǒng)中，存在多部作戰(zhàn)對象、多部信號持續(xù)快速切換時無法實現(xiàn)時域迅速切換和頻域的全覆蓋。同時，PLL還具有可調(diào)諧頻率范圍較窄的缺點，無法滿足現(xiàn)代寬帶電子對抗系統(tǒng)的需要。

1.3 數(shù)字調(diào)諧振蕩器技術(shù)

數(shù)字調(diào)諧振蕩器(DTO)技術(shù)是在基于VCO基礎(chǔ)上提出的一種新型的頻率合成方法。它通過接收來自外界的控制碼，最終經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)輸出不同頻率。

DTO技術(shù)通常通過VCO[7]來實現(xiàn)。VCO是指輸出頻率與輸入控制電壓之間存在對應關(guān)系的振蕩電路，一般分為晶體振蕩器、LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和微波壓控振蕩器。[8]典型VCO具有倍頻程的調(diào)諧范圍。調(diào)諧是通過控制電壓來調(diào)諧電抗元件(如變?nèi)荻O管)來完成的。DTO技術(shù)實現(xiàn)的振蕩器其相位噪聲與VCO 自身的相位噪聲有關(guān)，頻率穩(wěn)定度與VCO的調(diào)諧靈敏度、VCO調(diào)諧穩(wěn)定性等密切相關(guān)，而頻率精準度與器件的溫度漂移、輸入電壓的精度有關(guān)。同時，由于調(diào)諧范圍較大，如果不通過環(huán)路濾波器對控制電壓施加合適的濾波，VCO易受噪聲和雜散影響。某X波段VCO原理方框圖如圖3所示。這是一種正反饋模型，通過正反饋不斷放大電路中的信號直至產(chǎn)生穩(wěn)定的周期性輸出信號。

圖3 FET-VCO原理方框圖

從圖3中可以看出，該VCO采用砷化鎵場效應晶體管(GaAs FET)，依靠控制變?nèi)莨茈妷?，得到不同的微波信號?，F(xiàn)在常用的VCO均為單片集成電路的形式，其接口簡單，只需要電源、調(diào)諧電壓輸入就可以提供穩(wěn)定的頻率輸出。外部控制只需控制調(diào)諧電壓就可以得到所要的頻率。當需要得到不同的寬帶調(diào)制信號時，只需在VCO的調(diào)諧電壓上疊加對應的調(diào)制信號。

雖然單個VCO就可以提供較寬的頻帶，如AD公司的HMC587頻率覆蓋5～10 GHz，HMC588頻率覆蓋8～12.5 GHz，HMC732頻率覆蓋6～12 GHz，HMC733頻率覆蓋10～20 GHz。但是，要實現(xiàn)多個倍頻程(如6～18 GHz)的頻率覆蓋，單個VCO也無法實現(xiàn)，必須采用多個VCO來拼接。同時，VCO的頻率設(shè)置時間取決于其調(diào)諧電抗元件(如變?nèi)荻O管)的電容特性和輸入調(diào)諧電壓的反應時間。典型VCO的頻率設(shè)置時間在300 ns(2 MHz精度)以內(nèi)，而選擇高速DAC產(chǎn)生調(diào)諧電壓其反應時間也是小于100 ns，這樣整個VCO的頻率設(shè)置時間將可以做到小于500 ns。

VCO還有一個缺點是頻率穩(wěn)定性隨溫度漂移比較大(如HMC587為0.8 MHz/℃)。為了減小頻率漂移必須采用恒溫技術(shù)。若要保證2 MHz的精度則要保證溫度恒定在2～3 ℃的范圍，而恒溫技術(shù)會相應增加模塊的功耗和體積。

表1 典型單片VCO部分參數(shù)表

基于VCO的數(shù)字調(diào)諧振蕩器技術(shù)原理框圖如圖4所示，包括PROM、FPGA、DAC、高速運放、調(diào)制校正、可變增益放大器以及VCO。通過接收來自外界的頻率控制字進行查PROM中事先存儲的頻率和DAC控制字對照表，分別控制輸出到VCO的控制電壓以及可變增益放大器的控制電壓，控制包含調(diào)制信號的VCO控制電壓，最終輸出需要的高頻微波信號。

圖4 DTO基本原理框圖

綜合以上分析，直接模擬頻率合成技術(shù)存在著組成復雜、相應體積質(zhì)量較大等缺點。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)頻率穩(wěn)定性好、相位噪聲小、跳頻時間快、頻率步進精，但其工作頻帶受ROM和DAC速度的限制，輸出信號頻率相位雜散較高，頻段窄。間接頻率合成技術(shù)采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)，其具有集成化高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，但其跳頻時間較長。而采用壓控振蕩器實現(xiàn)的數(shù)字調(diào)諧振蕩技術(shù)，其工作頻帶受VCO頻帶所限制，體積較大，成本較高。根據(jù)以上寬帶頻率源技術(shù)存在的優(yōu)缺點，本文提出了一種新型寬帶數(shù)字調(diào)諧振蕩器的設(shè)計方法，該方法采用多個VCO進行拼接，實現(xiàn)了寬頻率覆蓋；通過調(diào)諧線性度補償技術(shù)達到了輸入調(diào)諧的線性化；采用恒溫控制技術(shù)達到高精度頻率輸出；利用調(diào)諧碼預置、高速運放和高速DAC，實現(xiàn)輸出頻率的高速切換；同時結(jié)合倍頻、濾波等技術(shù)手段，對諧波和雜散實現(xiàn)了更高的抑制，可滿足現(xiàn)代電子對抗系統(tǒng)中相關(guān)頻率源的需要。

2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

本文研制的數(shù)字調(diào)諧振蕩器，采用多段VCO拼接的方式，其原理框圖如圖5所示，主要有EEPROM、高速運算放大器、高速DAC、FPGA、VCO、開關(guān)濾波模塊等組成，其輸入頻率控制信號為數(shù)字信號，輸入調(diào)制信號為模擬信號，輸出為寬帶射頻信號。其中VCO模塊安裝在一個恒溫槽內(nèi)，以保持恒溫，保證頻率的穩(wěn)定性。

圖5 系統(tǒng)原理框圖

如圖5，輸入頻率控制字送給FPGA，通過EEPROM查表，給出控制信號，分別控制調(diào)制信號校正模塊和DAC。二者合成得到的調(diào)制信號經(jīng)過模擬開關(guān)控制不同的VCO。不同VCO輸出的射頻信號分別送給后端開關(guān)濾波放大模塊。開關(guān)濾波放大模塊的功能是濾除帶外信號和諧波信號，消除雜散，并將輸出信號放大至需要的功率電平。

在圖5中，F(xiàn)PGA、EEPROM、調(diào)制校正、可變增益放大器、DAC、模擬開關(guān)部分屬于數(shù)字和模擬電路模塊，VCO及開關(guān)濾波放大模塊屬于高頻微波部分。

3 硬件實現(xiàn)

設(shè)計實現(xiàn)的DTO原理組成(見圖5)分為數(shù)字模擬電路部分和高頻微波部分。

3.1 數(shù)字模擬電路部分

數(shù)字模擬電路部分組成如圖6所示，主要包括FPGA、MCU、EEPROM、DAC、可變增益放大器以及高速運放等。電路部分的工作流程如下：FPGA接收來自控制端口的頻率控制字，將頻率控制字送給EEPROM查表得到DAC和可變增益放大器的控制碼，DAC輸出的模擬電壓信號和可變增益放大器調(diào)理后的模擬調(diào)制信號經(jīng)最后一級高速運算放大器合成處理，最終得到VCO的控制電壓；同時，頻率控制字還在FPGA內(nèi)生成模擬開關(guān)的控制信號，選擇控制電壓送到不同的VCO。圖中的MCU單元具有對外測試的輸入輸出接口，用于實現(xiàn)控制和測試各個VCO，并在外部利用軟件生成存儲在EEPROM中的編碼表，同時提供模塊的維護和數(shù)據(jù)修正的對外接口。存儲在EEPROM中的編碼表包含可變增益放大器的增益控制碼和DAC的電壓控制碼兩部分。

圖6 數(shù)字及模擬部分原理框圖

數(shù)字電路采用FPGA和MCU，主要對來自外界頻率控制字進行解析處理，通過EEPROM查表給出DAC的數(shù)字碼，使得DAC分別輸出控制可變增益放大器的增益電壓和高速運算放大器的基礎(chǔ)電壓。

采用高速運算放大器一方面對基礎(chǔ)電壓進行調(diào)理，另一方面將基礎(chǔ)電壓和模擬調(diào)制信號的電壓進行組合，最終得到輸出控制VCO的電壓信號。采用高速DAC和高速運放的組合方式，實現(xiàn)了不同頻率輸出的高速切換功能。

在寬頻帶輸出中，VCO的調(diào)諧電壓和輸出頻率為非線性的，而常規(guī)使用中，對數(shù)字接口而言，其定義為輸入輸出是線性的，所以必須對VCO調(diào)諧的非線性進行處理。

典型VCO的特性可以用輸出頻率f與控制電壓Uc之間的關(guān)系曲線來表示，如圖7所示。在圖7中，曲線1為VCO原電壓特性曲線，曲線2為理想線性曲線。為達到圖7中曲線2的理想特性，系統(tǒng)中通過自動測試的方法遍歷需要輸出的頻率，然后根據(jù)測試數(shù)據(jù)曲線得到電壓-頻率(頻率控制字)對照表，將其存儲在EEPROM內(nèi)。工作時，首先將EEPROM內(nèi)數(shù)據(jù)加載到FPGA內(nèi)部的RAM中，然后根據(jù)外界輸入數(shù)字頻率控制字快速調(diào)取RAM表內(nèi)的數(shù)據(jù)，給出VCO的控制電壓，經(jīng)DAC變換后控制VCO。這樣就實現(xiàn)了數(shù)字控制碼和輸出頻率的理想線性控制關(guān)系。

同樣，從圖7可以看出，在整個頻帶內(nèi)，VCO的輸出頻率與電壓之間的控制關(guān)系為非線性的[9]。當針對同樣的外部輸入調(diào)制信號時，要實現(xiàn)全頻帶內(nèi)調(diào)制斜率的一致性必須進行調(diào)制增益校正。在圖6中，電路部分利用可調(diào)增益放大器結(jié)合EEPROM的方式來實現(xiàn)這一功能。通過對VCO逐點自動測試，得到各點要控制的增益值，生成控制增益和輸入頻率控制碼的對照表，并存儲在EEPROM內(nèi)。在工作時，同樣根據(jù)輸入的頻率控制碼調(diào)取相應的增益值，達到整個頻帶內(nèi)調(diào)制斜率的一致性。

圖7 VCO控制特性曲線

3.2 高頻微波部分

高頻微波部分組成如圖8所示，主要包括3路VCO、高隔離度微波開關(guān)濾波放大模塊。由于所要實現(xiàn)的寬帶頻率源頻率覆蓋寬，用單個VCO無法實現(xiàn)，所以方案中采用了3個VCO拼接的方式。各個VCO分別覆蓋不同頻帶，拼接組合，通過后端開關(guān)及濾波組件選擇得到不同頻段內(nèi)的輸出信號。本設(shè)計實現(xiàn)的模塊要滿足諧波、雜散以及快速的頻率設(shè)置時間等指標要求，所以選用了高隔離度(>70 dB)、快速響應時間(<100 ns)的開關(guān)濾波放大模塊。開關(guān)濾波放大模塊不但實現(xiàn)了濾除諧波、雜散的功能，而且對輸出功率進行放大，并且保證了全頻段輸出功率的一致性。

圖8 高頻微波部分組成框圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計實現(xiàn)的寬帶數(shù)字調(diào)諧振蕩器，頻率覆蓋6～18 GHz，頻率精度±2 MHz，頻率設(shè)置時間<1 μs，諧波<-55 dBc，雜散<-60 dBc，體積小(165 mm*160 mm*50 mm)，質(zhì)量輕(<2 kg)，可以廣泛適用于現(xiàn)代電子對抗、雷達仿真、電子戰(zhàn)仿真等系統(tǒng)。若采用同樣的方案，選擇不同的VCO，可以實現(xiàn)覆蓋不同頻段，具有不同帶寬的數(shù)字調(diào)諧振蕩器。