一種利用數字微波分頻器實現分數倍頻的方法

貴州航天計量測試技術研究所 許友坤 杜 勇

一種利用數字微波分頻器實現分數倍頻的方法

貴州航天計量測試技術研究所 許友坤 杜 勇

頻率合成技術中常需要對輸入信號進行分數倍頻。本文提供了一種利用數字微波分頻器實現對輸入信號分數倍頻的方法，相比于傳統的設計方法，該方法更為簡潔，不僅減少了元器件的使用量，降低了功耗，而且使電路更加小型化。該技術在相關產品設計中已得到了應用，在低功耗、小型化頻率合成產品中具有較高的實用價值。

頻率合成；分數倍頻；數字微波分頻器

一、引言

頻率合成器被稱為電子系統的“心臟”[1]，廣泛應用于通信、雷達、導航和電子對抗等設備中，現正朝著高性能、低功耗、小型化的方向發展。頻率合成技術中通常需要對輸入信號進行分數倍頻，從而實現頻率轉換。傳統的分數倍頻，是采用先將輸入信號倍頻，然后再分頻的方式實現。該設計方法需要使用微波放大器、倍頻器、帶通濾波器、分頻器和低通濾波器等微波器件，實現方式較為復雜。本文提供了一種利用數字微波分頻器實現分數倍頻的方式，利用數字微波分頻器輸出信號類似方波的特性，僅需使用微波分頻器、帶通濾波器和微波放大器即可實現對輸入信號的分數倍頻。該方法較傳統方式更為簡潔，不僅利于降低產品成本、節省功耗，還進一步減小了電路尺寸。

二、原理分析

數字微波分頻器的功能實現主要依賴于時鐘控制下的鎖存器，主從鎖存器在時鐘的高電平和低電平分別進行采樣和保持，從而實現分頻的功能[2]。典型的二分頻器內核原理如圖1所示。

圖1 二分頻器內核原理圖

由于采用的是數字電路技術，數字微波分頻器的輸出信號在時域上呈周期性類方波特性，其輸出波形如圖2所示。

圖2 數字微波分頻器輸出波形

根據信號分析原理[3]，對方波信號進行傅里葉變換，可得到其傅里葉級數：

式中f(t)為方波函數，E為方波的幅度。

由上式可知，方波的頻譜只包含基波和奇次諧波的頻率分量，且諧波幅度以1/n的規律遞減。由于數字微波分頻器輸出波形接近方波，因此其輸出信號的頻譜特性遵循上述規律。為驗證數字微波分頻器輸出信號的頻譜規律，現將2.4GHz輸入信號通過微波四分頻器，得到圖3所示的輸出頻譜圖。

圖3 四分頻器輸出頻譜圖

從圖3可以看出，四分頻器輸出信號的基波功率最大，依次為三次諧波、五次諧波，同時還存在功率較小的偶次諧波分量。由于分頻器輸出為非理想方波，因此與方波頻譜理論值存在一定差異，但其總體規律符合上述的理論分析。

通過上述分析可知，數字微波分頻器輸出端存在功率可觀的奇次諧波分量。基于此，可以通過選擇適當分頻比的分頻器，在其輸出端端接帶通濾波器即可獲得分數倍的頻率，從而實現分數倍頻的目的。采用該方式，可以明顯簡化倍頻電路設計，降低功耗，縮小電路尺寸。

三、電路設計與測試結果

基于某頻率合成器產品的需求，需將2GHz輸入信號轉換為3GHz輸出信號，且主要指標為：

（1）輸出功率：不小于-20dBm；

（2）雜波抑制：優于-55dBc；

（3）相位噪聲：優于20logN+3。為實現對輸入信號的3/2次倍頻。根據上節的分析結論，采用圖4所示的方式來實現頻率轉換。

圖4 3/2倍頻電路原理圖

選用HMC361S8G作為倍頻用二分頻器，主要技術參數如表1所示[4]。

表1 HMC361S8G主要技術參數

圖5 發夾型微帶帶通濾波器仿真模型

從表1可知，分頻器具有低至-148dBc/Hz@100kHz的底噪，可保證3GHz輸出信號能獲得優質相位噪聲。

根據微帶濾波器設計理論[5]，設計中心頻率為3GHz、帶寬為500MHz的發夾型微帶帶通濾波器作為選頻器件，其板材為rogers4350，厚度為0.254mm，濾波器階數為5階。發夾型微帶帶通濾波器仿真模型及電磁仿真曲線分別如圖5和圖6所示。

圖6 發夾型微帶帶通濾波器仿真曲線

圖7 3GHz輸出信號頻譜圖

圖8 輸入輸出信號相位噪聲測試曲線

從圖6的仿真曲線可知，濾波器在1GHz處的雜波抑制優于-75dBc，在2GHz、4GHz和5GHz處雜波抑制均優于-55dBc。根據分頻器輸出信號頻譜分布規律，濾波器的設計指標可以滿足-55dBc雜波抑制的要求，且有一定工程余量。

根據選用的器件及濾波器的設計版圖完成了3/2倍頻電路的PCB設計以及結果測試。3GHz輸出信號的頻譜圖如圖7所示，2GHz輸入信號相位噪聲與3GHz輸出信號相位噪聲測試曲線如圖8所示，相位噪聲變化對比如表2所示。

表2 輸入輸出信號相位噪聲對比

從圖7可以看出，輸出信號功率滿足技術要求。由表2可知，3GHz輸出信號相位噪聲惡化符合20logN=20log（3/2）=3.52dB的規律，倍頻附加相噪幾乎可以忽略，獲得了優良的相位噪聲指標。

四、結論

本文提供了一種利用數字微波分頻器輸出信號類似方波的特性，通過簡潔的技術路徑實現了輸入信號的分數倍頻。測試數據表明，采用數字微波分頻器對輸入信號實現分數倍頻的技術路徑是可行的。而該技術的應用，也為分數倍頻電路的小型化設計提供了一條新的技術途徑。

[1]張獻中,張濤．頻率合成技術的發展及應用[J]．電子設計工程,2014,22(3):142-145．

[2]陳鳳霞,默立冬,吳思漢．微波寬帶單片集成電路二分頻器的設計與實現[J]．半導體技術,2008,33(2):164-166．

[3]鄭君里,應啟珩,楊為理．信號與系統[M]．北京:高等教育出版社,2000．

[4]Analog Devices,Inc．HMC361S8G datasheet．2010,1-6．

[5]J．S．Hong,M．J．Lancaster．Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M]．New York:John Wiley & Sons,Inc,2001．

許友坤，男，畢業于電子科技大學，碩士研究生，現就職于貴州航天計量測試技術研究所，主要從事微波頻率合成電路設計。