Ku 波段頻率合成器主要功能是提供具有一定隔離度的兩路相參2 cm 波段的輸出頻率，經(jīng)系統(tǒng)倍頻后作為發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)和接收機(jī)的本振信號(hào)。如何使Ku 波段頻率合成器具有高頻率穩(wěn)定度、低相位噪聲、低雜散、小體積以及高隔離度等特性，是當(dāng)今設(shè)計(jì)人員主要的研究方向。

　　1   主要技術(shù)指標(biāo)

　　( 1) 晶振頻率: ( 略) 。

　　( 2) 輸出射頻頻率: 本振信號(hào)，頻率2 cm 波段； 發(fā)射信號(hào)，頻率f R = f L - f I ( 檢測(cè)信號(hào)頻率同發(fā)射信號(hào)頻率) 。

　　( 3) 本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的單邊帶相位噪聲: 小于等于- 96 dBc/ Hz@10~ 500 kHz。

　　( 4) 本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)無用頻率分量: 小于等于- 70 dBc。

　　( 5) 隔離: 本振電路對(duì)發(fā)射信號(hào)的隔離大于等于105 dB； 發(fā)射電路對(duì)本振信號(hào)的隔離大于等于90 dB。

　　( 6) 發(fā)射電路預(yù)調(diào)制: 開關(guān)通斷比大于等于85 dB。

　　2   主要技術(shù)途徑

　　2. 1   頻率合成的類型

　　通常頻率合成器可以被分成直接式頻率合成器、直接數(shù)字式頻率合成器及鎖相式頻率合成器三種類型，其中一種頻率合成器也被稱為間接式頻率合成器。很多情況下，頻率合成器是由多種類型相結(jié)合形成的。

　　2. 1. 1   直接式頻率合成器

　　直接模擬頻率合成器是出現(xiàn)的一種合成器類型的頻率信號(hào)源。這種頻率合成器原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。其合成方法大致可分為兩種類型: 一種是所謂的非相關(guān)合成方法； 另一種是所謂相關(guān)合成方法。這兩種合成方法之間的主要區(qū)別是所使用的參考頻率源的數(shù)目不同而已。

　　直接式頻率合成器的顯著特點(diǎn)是: 分辨率高； 頻率轉(zhuǎn)換速度快( 小于100us) ； 工作穩(wěn)定可靠； 輸出信號(hào)頻譜純度高。缺點(diǎn)就是使用的元件太多，很難集成，而且功耗較大，很難用于移動(dòng)通信中。

　　2. 1. 2  鎖相式頻率合成器

　　鎖相環(huán)路( Phase Lo cked Loo p) 是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，它的輸出信號(hào)的相位能自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)相位。鎖相環(huán)路之所以能夠進(jìn)入相位跟蹤，實(shí)現(xiàn)輸出與輸入信號(hào)的同步，是因?yàn)樗且粋€(gè)相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。它由三個(gè)基本部件組成，分別是鑒相器( PD) 、環(huán)路濾波器( LPF) 和壓控振蕩器( VCO) 。其原理框圖如圖1 所示。

圖1 鎖相環(huán)原理框圖

　　2. 1. 3   直接數(shù)字式頻率合成器

　　直接數(shù)字式頻率合成( Direct Digital FrequencySynthesis，DDS) 是近年來發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)。它將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域，標(biāo)志著第三代頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短( 可小于20 ns) ,頻率分辨率很高( 典型值為0. 001 Hz) ，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。因此，能夠與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。DDS 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)完全是高速數(shù)字電路D/ A變換器*的產(chǎn)物。由于集成電路速度的限制，目前DDS 的上限頻率還不能做得很高。但GaAs( 砷化鎵) 材料在集成電路中的應(yīng)用，使得DDS 上限頻率不夠高的缺陷正在不斷地被克服。

　　2. 2   DDS+ PLL 方案的簡(jiǎn)單介紹

　　因?yàn)镻LL 具有高頻率、寬頻帶、頻譜純度好的優(yōu)點(diǎn)，但其頻率切換速度低，只能達(dá)到??s 級(jí)，而DDS 具備高速頻率捷變能力( 可達(dá)到10 ns 級(jí)) ，相位分辨能力強(qiáng)，只要將二者相結(jié)合，可產(chǎn)生高，高速切換頻率的頻率合成器?，F(xiàn)在的DDS+ PLL 混合頻率合成技術(shù)主要有以下三種比較成熟的方案，并在工程研制中得到應(yīng)用。

　　2. 2. 1  DDS 激勵(lì)PLL 方案

　　DDS 激勵(lì)PLL 是簡(jiǎn)單和直接的組合方案,PLL 設(shè)計(jì)成N 倍頻環(huán)，DDS 作為PLL 的參考信號(hào)，如圖2 所示。輸出信號(hào)的頻率分辨率為N ?? ( DDS 的頻率分辨率) ，DDS 在環(huán)路帶寬以內(nèi)的雜散將帶入信號(hào),且惡化20lo g N dB，頻率變換時(shí)間取決于PLL，原理框圖如圖2 所示。

圖2  DDS 激勵(lì)PLL 方案原理框圖

　　2. 2. 2  具有良好雜散性能的PLL 內(nèi)插DDS 組合方案

　　為了解決DDS 雜散會(huì)被PLL 放大的問題，產(chǎn)生了PLL 內(nèi)插DDS 方案。在本方案中輸出信號(hào)的頻率f OU T = f DDS + N f REF，DDS 的輸出信號(hào)不經(jīng)PLL 倍頻,因而相位噪聲和雜散不會(huì)在輸出端惡化，具有低的相位噪聲和好的雜散性能。方案中BPF2 需要濾除混頻產(chǎn)生的多余頻率分量，本身又會(huì)影響環(huán)路參數(shù)，具有一定的設(shè)計(jì)難度，且調(diào)頻速率也受PLL 的限制。原理框圖如圖3 所示。

圖3  PLL 內(nèi)插DDS 組合方案原理框圖

　　2. 2. 3  轉(zhuǎn)換時(shí)間快捷的組合方案

　　DDS 與PLL 混頻后的輸出頻率為f OU T = f DDS +N f L ，此方案中PLL 作為本振信號(hào)保持不變，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間只由DDS 決定，可以充分體現(xiàn)DDS 頻率轉(zhuǎn)換快捷的特點(diǎn)。此外DDS 的雜散不會(huì)在輸出端惡化，具有較好的頻譜質(zhì)量。原理框圖如圖4 所示。

圖4 原理框圖

　　2. 3   方案選擇

　　根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，擬采用鎖相方案。鎖相方案也有兩種: 種是直接對(duì)2 cm波段VCO 進(jìn)行鎖相,該方案的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻帶較寬( 與2 cm 波段VCO 帶寬相同) ，缺點(diǎn)是由于器件引入相位噪聲的因素較多，分別受單片PLL 本底噪聲，分頻器以及壓控振蕩器噪聲的影響，具有眾多的惡化因素，相噪較差。第二種是在L 波段進(jìn)行鎖相，在Ku 波段進(jìn)行上變頻。該方案的輸出頻帶較窄，但相位噪聲性能好。由于該項(xiàng)目要求的輸出頻率帶寬為100 MHz，故采用第二種方式，這對(duì)于相位噪聲指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是有利的。選用第二種方案，使得系統(tǒng)的大部分電路工作在Ku 波段以下的頻段，便于進(jìn)行小型化、集成化設(shè)計(jì)，此外，在這種方案中可以選擇在L 波段頻率合成源的輸出端增加開關(guān)，以提高終輸出的Ku 信號(hào)的通斷比。

　　綜合考慮硬件方面的實(shí)現(xiàn)難度及技術(shù)要求，在發(fā)射路中采用DDS 與PLL 混頻的方案，該方案既可以實(shí)現(xiàn)較高的頻率輸出，又具有較高的頻率分辨率。由于PLL 的頻率與DDS 的頻率相差太大，且有一定帶寬,如果兩者直接混頻的話，雜波在信號(hào)帶內(nèi)無法濾除，所以DDS 先在一點(diǎn)頻源上變頻后再與PLL 混頻，這樣可以得到較好的雜波抑制?？傮w的設(shè)計(jì)框圖如圖5 所示。

圖5  系統(tǒng)原理框圖

　　3  詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　3. 1  L 波段鎖相環(huán)的電路設(shè)計(jì)

　　L 波段PLL 采用的是普通的分頻鎖相方案。該方案中參考晶振的相位噪聲是- 154 dBc/ Hz@ 10 kHz,30 MHz DDS 參考輸入的相位噪聲基底為- 110 dBc/ Hz@10 kHz，在鎖相環(huán)中鑒相器的相位噪聲基底約為- 150 dBc/ Hz@10 kHz。

　　PLL 采用普通的分頻鎖相環(huán)，其分頻比N 為179~ 199。晶振分頻后的相位噪聲遠(yuǎn)小于鑒相器的相位噪聲基底，因此應(yīng)當(dāng)以鑒相器的相位噪聲基底為參考來計(jì)算。

　　相位噪聲為:- 150+ 20 lg 199= - 104 dBc/ Hz@ 10 kHz

　　3. 2  2 cm 上變頻電路的設(shè)計(jì)

　　該上變頻模塊主要包括PDRO 以及兩個(gè)上變頻支路?？紤]到指標(biāo)要求本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的隔離度要達(dá)到105 dB，將兩路信號(hào)比較好的獨(dú)立開來，盡量減少共用部分，以免相互串?dāng)_。對(duì)上變頻模塊來講，關(guān)鍵的問題是要采取良好的隔離和濾波措施。通過在功分器輸出等地方增加濾波器，減少共用部分，在很大程度上避免相互串?dāng)_，使本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的隔離度終達(dá)到120 dB。另外針對(duì)雜波抑制要求，每路在變頻之后，均采用介質(zhì)濾波器。這種濾波器相對(duì)帶寬窄，帶內(nèi)插損小和波動(dòng)都較小，帶外抑制很好，并且容易集成，方便調(diào)試，可以在保證通帶的前提下，使其雜波抑制大于75 dB。所以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，終輸出能滿足系統(tǒng)對(duì)雜波抑制的要求。需要注意的是，L 波段信號(hào)的雜波已被頻率源模塊中的濾波器徹底濾除，否則將會(huì)給后面的輸出濾波器帶來無法克服的困難，導(dǎo)致寄生雜散。

　　上變頻器采用普通的2 cm 混頻器，其本振為2 cm波段PLO( PLO 采用取樣鎖相方案，該方案具有體積小、相位噪聲特性好等優(yōu)點(diǎn)) 。將本振信號(hào)一分為二，作為兩個(gè)上變頻器的本振輸入，與兩路中頻端口的輸入信號(hào)混頻后分別得到兩路2 cm 的輸出信號(hào)。采用在功分器輸出端加內(nèi)置式隔離器，并通過衰減、放大的方式，減小兩路信號(hào)通過功分器產(chǎn)生相互之間的串?dāng)_，增加兩路之間的隔離。為了減小體積，將以上電路進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)。

　　2 cm PLO 的相噪約為- 97 dBc/ Hz@ 10 kHz。這是由于2 cm PLO 的相噪與中頻信號(hào)的相噪相差8 dB,所以混頻后的2 cm 信號(hào)的相噪惡化1 dB 左右,即- 96 dBc/ H z@10 kHz。

　　3. 3   主要技術(shù)難點(diǎn)及采取的措施

　　( 1) 選用低相噪恒溫晶振作為參考源，確保頻率合成器的低相位噪聲指標(biāo)[ 9] 。采用成熟頻率合成技術(shù)，通過巧妙地結(jié)合，在L 波段進(jìn)行鎖相，在Ku 波段進(jìn)行上變頻。該方案的相位噪聲性能好，終可滿足Ku 波段頻率合成器技術(shù)指標(biāo)的要求。

　　( 2) 精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，并在方案設(shè)計(jì)中進(jìn)行詳細(xì)的分析、計(jì)算，注意頻率選擇、功率電平，減少混頻交調(diào)產(chǎn)物，提高頻譜純度； 優(yōu)化選擇濾波器的形式，使得諧波及雜波的抑制度達(dá)到性能。

　　( 3) 采用EMI 濾波器技術(shù)，降低電源干擾對(duì)輸出信號(hào)頻譜純度的影響，同時(shí)降低Ku 波段頻率合成器內(nèi)部信號(hào)對(duì)外界的干擾，提高電磁兼容性。在電路設(shè)計(jì)中合理布局，采用表面貼裝技術(shù)，采取良好的濾波、接地及屏蔽等措施，可以減小信號(hào)相互之間的串?dāng)_，從而進(jìn)一步改善頻譜性能，提高隔離度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用多腔分隔及新材料屏蔽技術(shù)，提高屏蔽效能 。

　　( 4) 采用一體化設(shè)計(jì)技術(shù)和混合集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。同時(shí)使得該產(chǎn)品使用維護(hù)方便，提高其可靠性和可維修性。

　　4   結(jié)  語(yǔ)

　　采用本方案設(shè)計(jì)的Ku 波段頻率綜合器使用于某型號(hào)雷達(dá)產(chǎn)品中，終實(shí)現(xiàn)了本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的隔離度可達(dá)到120 dB 以上，雜波抑制度達(dá)到了75 dB 以上，很大程度上減少了雷達(dá)因接收到泄漏的發(fā)射信號(hào)或雜波信號(hào)而截獲虛假目標(biāo)的概率，并且能有效地提高雷達(dá)的檢測(cè)靈敏度。此外，采用此方案獲得的發(fā)射信號(hào)及本振信號(hào)都具有很好的相位噪聲特性，對(duì)提高雷達(dá)的多普勒頻率分辨力也有很大幫助。