S波段捷變頻頻率合成器的設(shè)計

楊 迎，張 杰

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088）

0 引 言

頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心設(shè)備，其頻譜純度、精度、頻率分辨率和變頻時間等技術(shù)指標直接影響整個電子系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。目前，主要的頻率合成技術(shù)有直接模擬頻率合成、鎖相環(huán)（PLL）、直接數(shù)字合成（DDS）等3種方式。直接模擬頻率合成的顯著優(yōu)點是電路原理相對簡單，跳頻時間短，相位噪聲特性好，缺點是功耗、成本、體積較大。PLL則是建立在相位負反饋的理論基礎(chǔ)之上，用鎖相環(huán)路鎖定壓控振蕩器（VCO），由VCO間接產(chǎn)生所需頻率，其優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度高、雜散抑制好、調(diào)試方便，但頻率轉(zhuǎn)換速度慢，且精細步進會產(chǎn)生相噪的惡化。作為新一代的數(shù)字頻率合成技術(shù)，DDS具有變頻時間短、頻率分辨率高、相對帶寬寬、可編程、易于單片集成等優(yōu)點，缺點是由于D／A時鐘的限制，其最大輸出頻率較低。［1］采用單一的頻率合成技術(shù)目前難以達到高速高頻小型化頻率合成器的要求。為此，本文介紹了一種采用直接模擬頻率合成與DDS技術(shù)相結(jié)合的頻率合成方法，實現(xiàn)了一種S波段捷變頻頻率合成器，其頻率步進為5 MHz，跳頻時間小于2μs，相位噪聲優(yōu)于－119 dBc／Hz＠1 kHz，并具有體積小以及輸出信號頻率、功率可調(diào)的特點。

1 設(shè)計要求

某系統(tǒng)對頻率合成器提出的主要技術(shù)指標如表1所示。

可以看出，系統(tǒng)要求頻率合成器能實現(xiàn)S波段的兩種不同頻段信號輸出，要求其頻率捷變時間快，且對相位噪聲和雜散抑制指標要求較高。

表1 頻率合成器的主要技術(shù)指標要求

2 實現(xiàn)方案

2.1 基本實現(xiàn)原理

本次頻率合成器實現(xiàn)的主要技術(shù)路徑是采用高低頻標進行混頻濾波的方式產(chǎn)生系統(tǒng)所需的2.66～2.91 GHz／2.74～3.04 GHz信號。

若采用完全直接模擬頻率合成，雖然能滿足頻率捷變的特性，但其存在輸出頻點多時設(shè)備量大、濾波器頻點定制離散、拓撲結(jié)構(gòu)基本無法統(tǒng)一、效率低下等缺點。為此，本次頻率合成器在設(shè)計時只有S波段高頻標點源選擇由傳統(tǒng)的梳齒波發(fā)生器通過開關(guān)濾波產(chǎn)生，用以提供頻率粗調(diào)；而頻點較多的P波段低頻標信號則采用了DDS技術(shù)，用以提供頻率精調(diào)。采用DDS實現(xiàn)小頻標信號，可一定程度減少硬件設(shè)備量，有利于頻率合成器的小型化設(shè)計。同時，由于DDS的可編程性，還可方便地實現(xiàn)頻帶變化，對于S波段內(nèi)的不同頻帶頻率輸出可直接通過修改軟件實現(xiàn)，避免了電訊的重復(fù)設(shè)計，提高設(shè)計效率。

DDS的頻率切換時間取決于頻率控制字的傳輸時間及以LPF為主的器件響應(yīng)時間，一般在納秒級。［2］故選用梳妝譜點源和DDS低頻信號相混頻的方式，也能實現(xiàn)捷變頻特性。

方案的原理實現(xiàn)框圖如圖1所示。將梳狀譜產(chǎn)生的S波段高頻標與DDS產(chǎn)生的P波段低頻標信號進行混頻處理，經(jīng)過多路開關(guān)濾波組件分時選取出對應(yīng)的頻點信號，實現(xiàn)2 660～2 910 MHz（及2 740～3 040 MHz）的5 MHz間隔信號輸出，并在末級采用數(shù)控衰減放大以實現(xiàn)輸出信號的功率可調(diào)。

圖1 頻率合成器原理實現(xiàn)框圖

2.2 S波段高頻標實現(xiàn)

S波段高頻標的產(chǎn)生方法主要有兩種：一是采用數(shù)字鎖相方式，優(yōu)點是電路簡單，雜散抑制好，但其變頻時間相對較長，相位噪聲也較差，不能滿足系統(tǒng)要求；二是采用諧波發(fā)生器結(jié)合開關(guān)濾波組件方式，優(yōu)點是原理簡單，頻率捷變快，一般達納秒級，相位噪聲較好，但體積較大。為此，本次頻率合成器設(shè)計時將梳齒波發(fā)生器后的濾波器由傳統(tǒng)的聲表濾波器改進為FBAR濾波器（體積更?。?，同時將梳齒波發(fā)生器與FBAR濾波器統(tǒng)一集成為模塊（點頻源），從而進一步優(yōu)化了體積。

具體實現(xiàn)時，S波段高頻標FBAR點源以200 MHz為大步進，分別產(chǎn)生2.4、2.6 GHz信號，并通過開關(guān)濾波組進行切換。在實際工程應(yīng)用中，預(yù)留硬件可擴充性，對梳齒波高頻標點源的二選一實際選型為四選一開關(guān)濾波組，以備用頻寬擴充之需，帶寬窄的時候另外兩路可閑置不用。此方案噪聲指標優(yōu)異，集成度高，有利于頻率合成器的小型化設(shè)計。本次頻率合成器選取的恒溫晶振相位噪聲約為－155 dBc／Hz＠1 kHz，根據(jù)倍頻器的相位噪聲理論，倍頻后輸出信號的相位噪聲值為

式中，Li為輸入信號的單邊帶相位噪聲；N為倍頻次數(shù)；ΔL為電路的附加噪聲。［3］

通過電路的優(yōu)化設(shè)計，可使附加噪聲對相位噪聲的惡化控制在5 dB以內(nèi)。對S波段高頻標點源，晶振信號的最大倍頻次數(shù)為26次，理論上惡化約28 dB，加上電路的附加噪聲，實際輸出S波段頻標源的相位噪聲應(yīng)該優(yōu)于－122 dBc／Hz＠1 kHz。

2.3 P波段低頻標實現(xiàn)

低頻標頻率為260～455 MHz（及340～535 MHz），頻率步進5 MHz。本次頻率合成器設(shè)計時采用全數(shù)字化的信號產(chǎn)生方式DDS來生成P波段低頻標信號，其性能指標如表2所示。

表2 DDS頻標源的性能指標

可以看出，DDS頻標源在400 MHz輸出時相位噪聲典型值為－128 dBc／Hz＠1 kHz，其參考輸入頻率為4 GHz，這可由100 MHz晶振參考信號通過梳齒波發(fā)生器并由窄帶濾波器選取產(chǎn)生。該DDS頻標源的最大輸出頻率為1 600 MHz，使用時可通過軟件設(shè)定其輸出頻率為260～455 MHz（及340～535 MHz），頻率步進設(shè)為5 MHz。

2.4 S波段捷變頻頻率合成器的實現(xiàn)

S波段高頻標在2.6 GHz輸出時偏移1 kHz處的相噪噪聲優(yōu)于－122 dBc／Hz。P波段低頻標在400 MHz輸出時相位噪聲為－128 dBc／Hz＠1 kHz。根據(jù)混頻器的相位噪聲原理，當兩路輸入信號相噪近似相等時輸出相噪惡化3 dB，而當兩路輸入信號相噪相差較大時，輸出相噪主要取決于相噪較差的輸入信號。［4］故理論輸出信號相噪約為－122 dBc／Hz＠1 kHz，考慮到后級功率放大電路等附加噪聲影響，實際推導(dǎo)得到的輸出信號相噪指標在1 kHz處應(yīng)該優(yōu)于－115 dBc／Hz。

3 研制結(jié)果

該頻率合成器兼顧了跳頻時間、相位噪聲、雜散抑制以及結(jié)構(gòu)體積，研制結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 S波段高頻標FBAR點源的相位噪聲特性曲線

圖3 輸出2 740 MHz時的雜散抑制和相位噪聲特性曲線

圖4 頻率合成器研制實物圖

圖2為S波段FBAR點源的相位噪聲特性曲線?？梢钥闯?，2.4 GHz的相位噪聲實測為－125 dBc／Hz＠1 kHz，2.6 GHz的相位噪聲實測為－123 dBc／Hz＠1 kHz，與理論分析值基本相符。圖3為選取頻率合成器最高輸出頻點2 740 MHz，對其雜散抑制與相位噪聲特性進行測試的結(jié)果?？梢钥闯?，其雜散抑制大于69 dBc，相位噪聲優(yōu)于－119 dBc／Hz＠1 kHz。該頻率合成器信號的最大輸出功率為12 dBm，末級的數(shù)控衰減可實現(xiàn)0～7 dB衰減控制，從而實現(xiàn)輸出信號功率從5～12 dBm可調(diào)。通過軟件的靈活設(shè)置，可實現(xiàn)系統(tǒng)所需頻率合成器的兩種不同頻帶信號輸出。圖4為頻率合成器的研制實物圖，其外形尺寸為175 mm?145 mm?25 mm，實現(xiàn)了小型化設(shè)計。由上，本次研制的S波段捷變頻頻率合成器的所有技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文采用直接模擬頻率合成與DDS技術(shù)相結(jié)合的方案，實現(xiàn)了S波段高集成、低雜散、低相位噪聲的捷變頻頻率合成器設(shè)計，具有輸出信號的頻率、功率可調(diào)的特點。本次研制的頻率合成器其各項指標均滿足系統(tǒng)的要求，已成功應(yīng)用于某大型陣地雷達系統(tǒng)，工作穩(wěn)定可靠。