Ku波段介質(zhì)鎖相抗振頻率源研制

豐春錦，高翠琢，宋慶華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

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Ku波段介質(zhì)鎖相抗振頻率源研制

豐春錦，高翠琢，宋慶華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

提出了一種混頻介質(zhì)鎖相的方案，對(duì)Ku波段的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行一次混頻鎖相得到Ku波段的本振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了本振信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位同步。電路設(shè)計(jì)采用了低噪底鑒相芯片和自主設(shè)計(jì)的低相噪Ku波段介質(zhì)壓控振蕩器(DRVCO)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮抗振動(dòng)性能，并用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真，達(dá)到很好的抗振動(dòng)效果，組件外形尺寸為110 mm×65 mm×13 mm。測(cè)試結(jié)果表明，靜態(tài)下該Ku波段頻率源輸出功率12 dBm，雜波抑制比≥70 dBc，相位噪聲-91 dBc/Hz/@1 kHz，-105 dBc/Hz@10 kHz；振動(dòng)條件下1 kHz、10 kHz處相位噪聲惡化不超過(guò)3 dB。

介質(zhì)壓控振蕩器；鎖相環(huán)；抗振動(dòng)；低相噪

0 引 言

頻率源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，在通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于所用頻率源的性能，所以高性能頻率源的設(shè)計(jì)是現(xiàn)代通信技術(shù)中一個(gè)很重要的研究方向。微波頻率源合成方式有多種，最基本的有3種：直接頻率合成、間接頻率合成以及直接數(shù)字頻率合成。在工程實(shí)踐中，為了滿(mǎn)足指標(biāo)的要求，一般頻率源的合成方式并不單一，為了滿(mǎn)足實(shí)際要求，需對(duì)各種頻率合成方式進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。本文提出了一種應(yīng)用于多普勒雷達(dá)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)與發(fā)射信號(hào)相位同步的Ku波段本振信號(hào)的設(shè)計(jì)。Ku波段發(fā)射信號(hào)頻率為fRF，相位噪聲為-93 dBc/Hz@1 kHz、-106 dBc/Hz@10 kHz。本振信號(hào)頻率為fLO,相位噪聲-91 dBc/Hz@1 kHz、-105 dBc/Hz@10 kHz，雜波抑制≥70 dBc。該組件具有低相位噪聲、高抗振、低雜散、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

1 方案設(shè)計(jì)

Ku波段本振信號(hào)首先要實(shí)現(xiàn)與發(fā)射信號(hào)相位同步，由于發(fā)射信號(hào)工作在Ku波段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)由鎖相環(huán)對(duì)其直接鎖定，本文采用將發(fā)射信號(hào)下混頻至中頻然后進(jìn)行鎖定。為實(shí)現(xiàn)低相位噪聲的目的除了選擇低噪底的鑒相器，壓控振蕩器(VCO)必須采用低相噪技術(shù)。若采用低相噪的同軸介質(zhì)振蕩器(CRO)，需要進(jìn)行分頻與倍頻濾波，一方面雜散很難控制，另一方面倍頻后壓控振蕩器輸出帶寬增加，環(huán)路會(huì)發(fā)生錯(cuò)鎖。綜合上述考慮，本文采用介質(zhì)鎖相的方式實(shí)現(xiàn)。具體方案如圖1所示，介質(zhì)壓控振蕩器(DRVCO)的中心頻率為fLO，與發(fā)射信號(hào)fRF進(jìn)行混頻，混頻后的中頻信號(hào)fIF與晶振信號(hào)進(jìn)行鑒相，頻率關(guān)系為:

fLO=fRF-fIF

(1)

最終實(shí)現(xiàn)本振信號(hào)對(duì)發(fā)射信號(hào)的鎖定。

圖1 介質(zhì)鎖相源方案框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 介質(zhì)壓控振蕩器的設(shè)計(jì)

微波振蕩器分析方法大致有3種，分別是正反饋理論、負(fù)阻理論以及S參數(shù)兩端口網(wǎng)絡(luò)分析法[1]。其中正反饋理論更為簡(jiǎn)單易懂。正反饋振蕩器主要由三部分組成：放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)。振蕩器中的放大器，對(duì)噪聲與信號(hào)起到放大與限幅的作用。選頻網(wǎng)路選出設(shè)計(jì)需要的頻率信號(hào)，選頻特性與選頻網(wǎng)路的Q值有關(guān)，Q越高，選頻特性越好[2]。選頻網(wǎng)路在正反饋模型中，也被用作反饋網(wǎng)絡(luò)。輸出信號(hào)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端。振蕩器的正反饋模型如圖2所示，起振條件為：

(2)

(3)

圖2 振蕩器正反饋模型

常用的并聯(lián)反饋形式介質(zhì)振蕩器(DRO)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。運(yùn)用正反饋理論分析電路可分為放大電路及反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分，其中介質(zhì)諧振器(DR)與帶線(xiàn)的耦合起到選頻反饋網(wǎng)絡(luò)作用，場(chǎng)效應(yīng)管起到放大的作用。經(jīng)過(guò)理論分析并聯(lián)反饋型DRO的輸出頻率可表示為[3]：

(4)

式中：ωr為DR的諧振頻率；Q0為DR的無(wú)載Q值；β為介質(zhì)與微帶線(xiàn)的耦合因子。

一般情況下介質(zhì)的無(wú)載Q值很大，并聯(lián)反饋型DRO的輸出頻率主要由DR的諧振頻率決定。

圖3 并聯(lián)反饋DRO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電調(diào)介質(zhì)振蕩器也可稱(chēng)作為介質(zhì)壓控振蕩器(DRVCO)，其振蕩頻率可通過(guò)改變調(diào)諧電壓來(lái)改變。電調(diào)諧介質(zhì)振蕩器在微帶線(xiàn)一端連接變?nèi)荻O管，微帶線(xiàn)再與介質(zhì)振蕩器耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)電調(diào)功能。耦合方式如圖4所示。

圖4 壓控介質(zhì)振蕩器耦合

設(shè)計(jì)中，需要選擇噪聲性能較好的有源器件來(lái)實(shí)現(xiàn)低相噪介質(zhì)振蕩器。本設(shè)計(jì)中選用的晶體管的截止頻率需是工作頻率的2倍以上[4]，這里選用了MWT公司的中功率場(chǎng)效應(yīng)管，它是一種砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管，工作頻段是500 MHz～26 GHz，增益典型值為8 dB,噪聲系數(shù)為2.0。介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)影響能量，過(guò)大的話(huà)會(huì)使能量不能集中在介質(zhì)塊中，有可能會(huì)導(dǎo)致振蕩器無(wú)法起振。根據(jù)以上分析，選擇的板材為Al2O3陶瓷，陶瓷基片(表面鍍金)的介電常數(shù)為10，而所用微波介質(zhì)的介電常數(shù)為5 000～10 000，所以在微波介質(zhì)和陶瓷基片的交界面會(huì)發(fā)生全反射，形成非常理想的諧振腔[5]。

DRVCO的頻率溫度穩(wěn)定度為一項(xiàng)重要指標(biāo)，影響其高低溫下的工作帶寬。經(jīng)分析，當(dāng)振蕩器工作頻率與DR的諧振頻率f0之差非常小時(shí)(即f=f0)，且滿(mǎn)足振蕩的相位和振幅平衡條件，工作頻率隨溫度漂移Δf/fΔT同DR的溫度系數(shù)ζ、DR與微帶的耦合因子β、DR有載值QL以及有源電路相位漂移ΔΦ/ΔT有關(guān)，即：

(5)

式中：關(guān)鍵因素為DR的溫度系數(shù)ζ，需要在調(diào)試過(guò)程中選擇合適的介質(zhì)。

最終設(shè)計(jì)的DRVCO中心頻率為fLO,在1～11 V的調(diào)諧范圍內(nèi)達(dá)到±15 MHz的調(diào)諧帶寬，同時(shí)相位噪聲達(dá)到-110 dBc/Hz@100 kHz，通過(guò)調(diào)整介質(zhì)的溫度系數(shù),DRVCO在-55℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)頻率溫度穩(wěn)定度為2 ppm/℃，滿(mǎn)足鎖相環(huán)電路的使用。

2.2 鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)

如圖1所示，本設(shè)計(jì)采用下混鎖相的方式實(shí)現(xiàn)與發(fā)射信號(hào)的相干，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)與DRVCO信號(hào)下混到中頻信號(hào)，此信號(hào)提供給鑒相器，與輸入?yún)⒖歼M(jìn)行相位比較，鑒相芯片產(chǎn)生的誤差電壓經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器以后提供給DRVCO的電壓控制端，調(diào)節(jié)DRVCO輸出頻率，最終鎖定到設(shè)計(jì)所需的頻率。

根據(jù)鎖相環(huán)噪聲理論，鎖相環(huán)的帶內(nèi)噪聲主要由晶體振蕩器、鑒相器、N分頻器和R分頻器相位噪聲差的那一環(huán)決定，而其帶外噪聲則主要取決于DRVCO的噪聲指標(biāo)[6]。即PLL對(duì)參考晶振、鑒相器等帶內(nèi)噪聲源呈現(xiàn)低通特性，而對(duì)DRVCO噪聲呈現(xiàn)高通特性。鑒相器對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)可表示為：

(6)

式中：NP為相位噪聲；NTOT為鑒相器歸一化噪底；N為倍頻數(shù)；Fcomp為鑒相頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中，DRVCO的噪聲指標(biāo)會(huì)影響鎖相環(huán)的帶內(nèi)噪聲，特別在DRVCO的噪聲指標(biāo)較差或在窄帶環(huán)(環(huán)路帶寬小于理論上理想的環(huán)路帶寬)應(yīng)用中影響會(huì)更大。

在設(shè)計(jì)中由于晶振和中頻信號(hào)的頻率較低，因此鑒相器選用AD公司的鑒相芯片ADF4002,該鑒相芯片具有低噪底、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)低相噪鑒相頻率采用最大值fIF，經(jīng)過(guò)公式(6)計(jì)算在該鑒相頻率下ADF4002鑒相器的噪底為：

參考晶振選用小型化溫補(bǔ)晶振，相位噪聲為-130dBc/Hz@1kHz、-135dBc/Hz@10kHz，選擇環(huán)路帶寬為500kHz，鎖相環(huán)路在1kHz、10kHz的相位噪聲主要由晶振決定。由于鎖相環(huán)路在1kHz、10kHz的相位噪聲遠(yuǎn)低于發(fā)射信號(hào)的相位噪聲，因此本振信號(hào)的相位噪聲由發(fā)射信號(hào)決定，考慮到混頻器對(duì)噪聲的惡化，因此本振信號(hào)在1kHz、10kHz的實(shí)際相位噪聲要在發(fā)射信號(hào)的基礎(chǔ)上惡化2～3dB。

本方案中發(fā)射信號(hào)與本振信號(hào)的頻率較近，用濾波器將發(fā)射信號(hào)濾掉不現(xiàn)實(shí)，本設(shè)計(jì)利用隔離器和放大的反向隔離對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行抑制，在DRVCO功分后加隔離器與放大器，另外選用本振與射頻隔離較大的混頻器。實(shí)際情況中微波信號(hào)的空間電磁輻射也是微波泄漏的一個(gè)重要因素，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各頻段之間的隔墻處理，防止空間泄漏。

3 抗振動(dòng)設(shè)計(jì)

電子設(shè)備在使用過(guò)程中不可避免地受到振動(dòng)和沖擊，在這種惡劣的環(huán)境下，電子設(shè)備將受到很大影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)在引起電子設(shè)備失效的環(huán)境因素中，振動(dòng)因素約占27%[7]。

為達(dá)到良好的抗振動(dòng)效果，本設(shè)計(jì)中的電路板均燒結(jié)在盒體上，元器件均采用表面貼器件。振動(dòng)敏感的部位要保持一定的厚度[8]，最終設(shè)計(jì)頻率源組件的體積為110mm×65mm×13mm。用ANSYS有限元分析軟件調(diào)用INVENTOR制圖軟件的三維結(jié)構(gòu)，建立有限元模型，在安裝孔施加約束。通過(guò)模態(tài)分析可知，第1階固有頻率為3 015Hz，固有頻率較高，結(jié)構(gòu)的剛度大。前8階固有頻率數(shù)據(jù)如表1所示，振型如圖5所示。

表1 模態(tài)分析固有頻率

圖5 4階模態(tài)分析振型位移

在20～80Hz，3dB/oct;80～350Hz,0.04g2/Hz;350～2 000Hz，-3dB/oct振動(dòng)條件下，3σ等效應(yīng)力最大值為2.34MPa。根據(jù)模塊在隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中的最大應(yīng)力來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全裕度為：

滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

2個(gè)敏感部件(晶振和DRVCO)都裝配在應(yīng)力很小的部位，圖6為振動(dòng)時(shí)盒體內(nèi)部等效應(yīng)力分布。

圖6 振動(dòng)等效應(yīng)力分布

4 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)環(huán)路濾波電路進(jìn)行優(yōu)化后，外加相位噪聲為-93dBc/Hz@1kHz、-106dBc/Hz@10kHz的發(fā)射信號(hào)后，用E4440測(cè)試本振信號(hào)的靜態(tài)相位噪聲為-91dBc/Hz@1kHz、-105dBc/Hz@10kHz，雜散為-76dBc，測(cè)試結(jié)果如圖7(a)所示。振動(dòng)敏感方向在20～80Hz，3dB/oct;80～350Hz,0.04g2/Hz;350～2 000Hz，-3dB/oct振動(dòng)條件下，輸出信號(hào)相位噪聲為-89dBc/Hz@1kHz、-102dBc/Hz@10kHz，測(cè)試結(jié)果如圖7(b)所示。

圖7 相噪測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，Ku波段頻率的相位噪聲相比發(fā)射的相位噪聲惡化2～3dB，與理論分析結(jié)果基本一致，雜散抑制達(dá)到75dBc以上。在振動(dòng)條件下1kHz處的外相位噪聲惡化不超過(guò)3dB。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于混頻介質(zhì)鎖相技術(shù)的Ku波段頻率源，實(shí)現(xiàn)了本振信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位同步，具有相噪低、抗振動(dòng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整DRVCO的輸出頻率以及編程控制ADF4002的分頻比，實(shí)現(xiàn)Ku波段頻率源輸出頻率的改變。該類(lèi)型頻率源已應(yīng)用于多個(gè)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中。

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Development of Ku-band Phase-locked Dielectric Resonator Frequency Source with Anti-vibration Performance

FENG Chun-jin,GAO Cui-zhuo,SONG Qing-hua

(The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper presents a method of mixing dielectric resonator phase-locked loop,performs a mixing phase lock to obtain the local oscillation (LC) signal of Ku-band,realizes the phase synchronization between the LC signal and transmitting signal.The circuit design adopts a low noise floor phase discrimination chip and independent designed low phase noise Ku-band dielectric resonator voltage-control oscillator.Anti-vibration performance is fully considered in the structure design and structural mechanics simulation is performed by using ANSYS software,which brings well anti-vibration performance.The outline dimension is 110 mm × 65 mm × 13 mm.To the Ku-band frequency source,the test results show that the output power is 12 dBm，the clutter rejection ratio is more than 70 dBc，the phase noises are - 91 dBc /Hz@ 1 kHz，- 105 dBc /Hz@ 10 kHz in static state;the phase noises worsen no more than 3 dB at 1 kHz and 10 kHz in vibrant state.

dielectric resonator voltage control oscillator;phase-locked loop;anti-vibration;low phase noise

2014-12-22

TN94

A

CN32-1413(2015)02-0097-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.025