Ku波段频率合成器
摘 要：为了达到频率综合在具有高频率稳定度、低杂散信号、高隔离度等特点的同时，尽可能实现产品的小型化这一目的，通过分析多种方案的特点和理论计算，最终选出了一种最优方案，并在科研制造中得到了验证。介绍了频率合成技术的基础理论，着重研究了PLL＋DDS的频率合成技术，并简述了实现Ku波段频率合成的主要技术途径,给出了主要技术难点、解决措施。
关键词：小型化; 高隔离度; Ku波段; 频率合成器
中图分类号：TN74-34文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0061-03
Frequency Synthesizer of Ku-band
L Di
(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009,China)
Abstract： In order to realize the characteristics such as high frequency stability, low noise signal level, high isolation and miniaturized production of frequency synthesizer, an optimized scheme is selected and verified in manufacture by analyzing several schemes and calculation. The basic theory of frequency synthesis technology is introduced, the frequency synthesis technology of PLL&DDS is discussed，and the main technological approaches of the frequency synthesis of Ku-band are proposed, the main technology difficulties and solutions are provided.
Keywords： miniaturization; high isolation; Ku-band; frequency synthesizer
Ku波段频率合成器主要功能是提供具有一定隔离度的两路相参2 cm波段的输出频率，经系统倍频后作为发射机的发射信号和接收机的本振信号。如何使Ku波段频率合成器具有高频率稳定度、低相位噪声、低杂散、小体积以及高隔离度等特性，是当今设计人员主要的研究方向。
1 主要技术指标
(1) 晶振频率：(略)。
(2) 输出射频频率：本振信号，频率2 cm波段；发射信号，频率fR=fL-fI(检测信号频率同发射信号频率)。
(3) 本振信号和发射信号的单边带相位噪声:小于等于-96 dBc/Hz@10～500 kHz。
(4) 本振信号和发射信号无用频率分量:小于等于-70 dBc。
(5) 隔离:本振电路对发射信号的隔离大于等于105 dB；发射电路对本振信号的隔离大于等于90 dB。
(6) 发射电路预调制：开关通断比大于等于85 dB。
2 主要技术途径
2.1 频率合成的类型
通常频率合成器可以被分成直接式频率合成器、直接数字式频率合成器及锁相式频率合成器三种类型，其中最后一种频率合成器也被称为间接式频率合成器\2.1.1 直接式频率合成器
直接模拟频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单，易于实现。其合成方法大致可分为两种类型：一种是所谓的非相关合成方法；另一种是所谓相关合成方法。这两种合成方法之间的主要区别是所使用的参考频率源的数目不同而已\2.1.2 锁相式频率合成器
锁相环路(Phase Locked Loop)是一个闭环的相位控制系统，它的输出信号的相位能自动跟踪输入信号相位。锁相环路之所以能够进入相位跟踪，实现输出与输入信号的同步，是因为它是一个相位的负反馈控制系统
图1 锁相环原理框图
2.1.3 直接数字式频率合成器
直接数字式频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)是近年来发展起来的一种新的频率合成技术。它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，标志着第三代频率合成技术的出现。其主要优点是相对带宽很宽，频率转换时间极短(可小于20 ns)，频率分辨率很高(典型值为0.001 Hz)，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。因此，能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。DDS技术的实现完全是高速数字电路D/A变换器集合的产物。由于集成电路速度的限制，目前DDS的上限频率还不能做得很高\2.2 DDS＋PLL方案的简单介绍
因为PLL具有高频率、宽频带、频谱纯度好的优点，但其频率切换速度低，只能达到μs级，而DDS具备高速频率捷变能力(可达到10 ns级),相位分辨能力强，只要将二者相结合，可产生高精度，高速切换频率的频率合成器\2.2.1 DDS激励PLL方案
DDS激励PLL是最简单和最直接的组合方案，PLL设计成N倍频环，DDS作为PLL的参考信号，如图2所示。输出信号的频率分辨率为N×(DDS的频率分辨率)，DDS在环路带宽以内的杂散将带入信号，且恶化20log N dB,频率变换时间取决于PLL
图2 DDS激励PLL方案原理框图
2.2.2 具有良好杂散性能的PLL内插DDS组合方案
为了解决DDS杂散会被PLL放大的问题，产生了PLL内插DDS方案。在本方案中输出信号的频率fOUT＝fDDS＋NfREF，DDS的输出信号不经PLL倍频，因而相位噪声和杂散不会在输出端恶化，具有低的相位噪声和好的杂散性能。方案中BPF2需要滤除混频产生的多余频率分量，本身又会影响环路参数，具有一定的设计难度，且调频速率也受PLL的限制。原理框图如图3所示。
图3 PLL内插DDS组合方案原理框图
2.2.3 转换时间快捷的组合方案
DDS与PLL混频后的输出频率为fOUT＝fDDS＋NfL，此方案中PLL作为本振信号保持不变，频率转换时间只由DDS决定，可以充分体现DDS频率转换快捷的特点。此外DDS的杂散不会在输出端恶化，具有较好的频谱质量
图4 原理框图
2.3 方案选择
根据技术指标的要求，拟采用锁相方案。锁相方案也有两种：第一种是直接对2 cm波段VCO进行锁相，该方案的优点是输出频带较宽(与2 cm波段VCO带宽相同)，缺点是由于器件引入相位噪声的因素较多，分别受单片PLL本底噪声，分频器以及压控振荡器噪声的影响，具有众多的恶化因素，相噪较差。第二种是在L波段进行锁相，在Ku波段进行上变频。该方案的输出频带较窄，但相位噪声性能好。由于该项目要求的输出频率带宽为100 MHz，故采用第二种方式，这对于相位噪声指标的实现是有利的。选用第二种方案，使得系统的大部分电路工作在Ku波段以下的频段，便于进行小型化、集成化设计，此外，在这种方案中可以选择在L波段频率合成源的输出端增加一级开关，以提高最终输出的Ku信号的通断比。
综合考虑硬件方面的实现难度及技术要求，在发射路中采用DDS与PLL混频的方案，该方案既可以实现较高的频率输出，又具有较高的频率分辨率。由于PLL的频率与DDS的频率相差太大，且有一定带宽，如果两者直接混频的话，杂波在信号带内无法滤除，所以DDS先在一点频源上变频后再与PLL混频，这样可以得到较好的杂波抑制。总体的设计框图如图5所示。
图5 系统原理框图
3 详细设计
3.1 L波段锁相环的电路设计
L波段PLL采用的是普通的分频锁相方案。该方案中参考晶振的相位噪声是-154 dBc/Hz@10 kHz，30 MHz DDS参考输入的相位噪声基底为-110 dBc/Hz@10 kHz，在锁相环中鉴相器的相位噪声基底约为-150 dBc/Hz@10 kHz。
PLL采用普通的分频锁相环，其分频比N为179~199。晶振分频后的相位噪声远小于鉴相器的相位噪声基底，因此应当以鉴相器的相位噪声基底为参考来计算。
相位噪声为：
-150+20 lg 199=-104 dBc/Hz@10 kHz
3.2 2 cm上变频电路的设计
该上变频模块主要包括PDRO以及两个上变频支路。考虑到指标要求本振信号和发射信号的隔离度要达到105 dB，将两路信号比较好的独立开来，尽量减少共用部分，以免相互串扰。对上变频模块来讲，最关键的问题是要采取良好的隔离和滤波措施。通过在功分器输出等地方增加滤波器，减少共用部分，在很大程度上避免相互串扰，使本振信号和发射信号的隔离度最终达到120 dB。另外针对杂波抑制要求，每路在变频之后，均采用介质滤波器。这种滤波器相对带宽窄，带内插损小和波动都较小，带外抑制很好，并且容易集成，方便调试，可以在保证通带的前提下，使其杂波抑制大于75 dB。所以通过优化设计，最终输出能满足系统对杂波抑制的要求。需要注意的是，L波段信号的杂波已被频率源模块中的滤波器彻底滤除，否则将会给后面的输出滤波器带来无法克服的困难，导致寄生杂散。
上变频器采用普通的2 cm混频器，其本振为2 cm波段PLO(PLO采用取样锁相方案，该方案具有体积小、相位噪声特性好等优点)。将本振信号一分为二，作为两个上变频器的本振输入，与两路中频端口的输入信号混频后分别得到两路2 cm的输出信号。采用在功分器输出端加内置式隔离器，并通过衰减、放大的方式，减小两路信号通过功分器产生相互之间的串扰，增加两路之间的隔离。为了减小体积，将以上电路进行了一体化设计。
2 cm PLO的相噪约为-97 dBc/Hz@10 kHz。这是由于2 cm PLO的相噪与中频信号的相噪相差8 dB，所以混频后的2 cm信号的相噪恶化1 dB左右，即-96 dBc/Hz@10 kHz。
3.3 主要技术难点及采取的措施
(1) 选用低相噪恒温晶振作为参考源，确保频率合成器的低相位噪声指标\4 结 语
采用本方案设计的Ku波段频率综合器使用于某型号雷达产品中，最终实现了本振信号和发射信号的隔离度可达到120 dB以上，杂波抑制度达到了75 dB以上，很大程度上减少了雷达因接收到泄漏的发射信号或杂波信号而截获虚假目标的概率，并且能有效地提高雷达的检测灵敏度。此外，采用此方案获得的发射信号及本振信号都具有很好的相位噪声特性，对提高雷达的多普勒频率分辨力也有很大帮助。
参 考 文 献
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作者简介： 吕 迪 男,1983年出生,河南洛阳人，工程师。主要研究方向为雷达通信频率综合器与接收机的设计。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
