Ｋｕ波段寬帶低噪聲雷達(dá)頻率源的研制

摘 要：介紹一種低相噪、低雜散、寬帶的雷達(dá)頻率合成器方案的設(shè)計和實現(xiàn)，該方案采用超低相噪模擬鎖相環(huán)芯片，并采用雙環(huán)環(huán)內(nèi)下混頻結(jié)構(gòu)，通過對環(huán)路濾波器的精心設(shè)計，大幅度改善相位噪聲和雜散性能。給出設(shè)計過程及測試結(jié)果。實驗證明該方案是成功的，達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出頻率 12.8～14.8 GHz，相位噪聲 -90 dBc/Hz@1 kHz，雜散 -55 dBc，步進(jìn)間隔50 MHz。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)頻率合成器；低相噪；環(huán)路濾波器；寬帶

中圖分類號：TN957 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-130-03

Ku-band Wideband Low Phase Noise Radar Frequency Synthesizer

WEI Chunlin，LIU Guanghu

(School of Electronics and Engineering，University of Electronic Science Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：This paper introduces a design and realization of Ku-band wideband，low phase noise and spur radar frequency synthesizer.In this scheme，by employing ultra low phase noise detector and two PLL down-mixing in loop structure，as well aselaborately designing the loop filter of PLL，realizes the low phase noise and spur level.A sample and result are presented and prove this scheme is successful.

Keywords：radar frequency synthesizer；low phase noise；loop filter；wideband

頻率合成器是電子系統(tǒng)的心臟，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備，隨著現(xiàn)代軍事、國防及無線通信事業(yè)的發(fā)展，移動通信、雷達(dá)、制導(dǎo)武器、電子測量儀器和電子對抗等電子系統(tǒng)對頻率合成器提出了越來越高的要求。世界各國都非常重視頻率合成器的研究與應(yīng)用，低相位噪聲、高純頻譜、高速捷變和高輸出頻段的頻率合成器已經(jīng)成為頻率合成發(fā)展的主要趨勢。

1 系統(tǒng)主要指標(biāo)及方案

1.1 系統(tǒng)的主要指標(biāo)

輸出頻率范圍：12.8～14.8 GHz；

步進(jìn)頻率：50 MHz；

相位噪聲：≤-90 dBc/Hz@1 kHz；

輸出雜散：≤-55 dBc；

諧波抑制：≥40 dBc；

輸出功率：≥8 dB。

1.2 系統(tǒng)的方案設(shè)計

由以上指標(biāo)看出，該系統(tǒng)的主要難度有2點：輸出頻率高且范圍寬；相位噪聲要求比較高，利用單個鎖相環(huán)難以實現(xiàn)。

因此采用雙鎖相環(huán)加混頻的方案，如圖1所示。該方案選用100 MHz的低相噪恒溫晶振作為2個環(huán)路的參考源，主環(huán)和輔環(huán)均選用Hittite公司的超低相噪模擬鎖相環(huán)芯片HMC440，改善系統(tǒng)的相噪性能。輔環(huán)參考頻率為100 MHz，輸出6，6.5，7 GHz三個頻點；主環(huán)參考頻率為25 MHz，經(jīng)100 MHz恒溫晶振4分頻得到，輸出頻率為12.8～14.8 GHz。經(jīng)2分頻后再與輔環(huán)輸出的頻點混頻到50～525 MHz，返回到主環(huán)鑒相器與參考頻率做比較。所有的控制都由單片機來完成，根據(jù)外部數(shù)據(jù)的輸入(BCD碼)進(jìn)行相應(yīng)的頻率輸出。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 系統(tǒng)性能指標(biāo)的分析和論證

2.1 系統(tǒng)相位噪聲的估計

由鎖相環(huán)線性相位模型(如圖2所示)，可得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

2.2 系統(tǒng)雜散的估計

系統(tǒng)雜散主要來自于鑒相參考雜散和混頻雜散。由于無論是主環(huán)鑒相參考頻率25 MHz還是輔環(huán)鑒相參考頻率為100 MHz都遠(yuǎn)大于環(huán)路濾波器的帶寬，所以鑒相參考雜散能夠被很好地抑制。混頻雜散是由雙環(huán)頻率混頻產(chǎn)生，通常要選用高隔離度的混頻器。由于該方案選用內(nèi)帶2分頻結(jié)構(gòu)的VCO，使得主環(huán)輸出信道與輔環(huán)完全隔離開。因此只要精心設(shè)計布板結(jié)構(gòu)，防止兩信道的空間耦合，即可使混頻雜散達(dá)到指標(biāo)要求。

3 環(huán)路濾波器的設(shè)計

因為環(huán)路選用的是模擬鑒相器HMC440，鑒相輸出為差分電壓輸出，所以環(huán)路濾波器選差分有源二階環(huán)路濾波結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 濾波器結(jié)構(gòu)

環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)Z(s)計算如下：

一般相位裕量φ取45～50°，環(huán)路帶寬wc視實際情況而定。只要C2取定一個值，就可以同時確定R1和R2。電容C1的引入主要為濾去鑒相雜散，其引入的極點應(yīng)遠(yuǎn)離主極點，即ωc=1/R1C1>10ωn，于是C1<1/10ωnR1，這樣環(huán)路濾波器就完全確定。環(huán)路帶寬一般取300～400 kHz左右為宜。元件的取值為：R1=110 Ω，C1=0.056 μF，R2=48 Ω，C2=200 pF，可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 硬件的實現(xiàn)及實測數(shù)據(jù)

為了提高隔離度，模擬電路與數(shù)字電路分離，中間加入金屬隔板，兩個板需要連接的信號，通過上下穿孔的方式連接。模擬電路板上主環(huán)部分、輔環(huán)及輸出放大模塊之間分別加入金屬。主環(huán)的模擬射頻板如圖4所示。

圖4 實物射頻板外形圖

在高頻電路的設(shè)計中，應(yīng)該采用多點接地的方法。這樣使得接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少。一般認(rèn)為，所需最長的連接線長L>λ/20時，則屬于高頻，采用多點接地。

另外，要注意對各個器件進(jìn)行電源濾波，防止各模塊之間的相互串?dāng)_。通常在電源引腳輸入端并上1 μF和100 pF的電容。

相位噪聲，雜散抑制，諧波抑制和輸出功率均采用惠普公司的頻譜分析儀HP8564E測量，在系統(tǒng)輸出最高頻點14.8 GHz處相位噪聲可以達(dá)到-90 dBc/Hz@1 kHz，雜散優(yōu)于-55 dBc，如圖5所示。

圖5 14.8 GHz處相位噪聲

5 結(jié) 語

本文針對課題頻率高、帶寬寬及相噪低的頻率合成器提出雙環(huán)下混頻設(shè)計方案，對方案可行性進(jìn)行論證，設(shè)計并最終實現(xiàn)，達(dá)到預(yù)先提出的指標(biāo)。是對高穩(wěn)定度微波頻率合成器研制的有益探索，為以后的設(shè)計具有一定的參考價值。

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作者簡介 魏春林 男，1981年出生，四川成都人，碩士。主要從事射頻微波方面的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。