寬帶頻率綜合器設(shè)計(jì)中雜散問(wèn)題研究

劉玲玲，王自力，葛 楓，孫婷婷

（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司超導(dǎo)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230043；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第十六研究所，安徽 合肥 230043）

寬帶頻率綜合器設(shè)計(jì)中雜散問(wèn)題研究

劉玲玲1,2，王自力1,2，葛 楓1,2，孫婷婷1,2

（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司超導(dǎo)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230043；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第十六研究所，安徽 合肥 230043）

頻率綜合組件的雜散指標(biāo)影響著整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。詳細(xì)介紹一款工作跨X-K波段，帶寬9 GHz的頻率綜合器設(shè)計(jì)過(guò)程中的雜波抑制的解決措施。該款寬帶頻率綜合器的設(shè)計(jì)包含了鎖相、倍頻、混頻等頻綜設(shè)計(jì)主要常用技術(shù)，頻帶拓展主要采用開(kāi)關(guān)濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)。方案中電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，外加控制電路的數(shù)字信號(hào)干擾，雜散指標(biāo)一直是調(diào)試過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題。該頻綜的雜散主要包含本振泄漏、高次諧波、交調(diào)信號(hào)以及數(shù)字電路的干擾等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，找到雜散的來(lái)源，給出解決方法。該頻綜的設(shè)計(jì)雜波抑制要求-60 dBc，通過(guò)反復(fù)調(diào)試程序及電路，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)指標(biāo)要求，9 GHz工作帶寬內(nèi)雜散抑制達(dá)到-65 dBc。

頻率綜合器；寬帶；雜散；本振泄漏；交調(diào)信號(hào)；開(kāi)關(guān)濾波器組

在電子信息時(shí)代，電子偵察與電子對(duì)抗越來(lái)越受到人們的高度重視，為提高截獲概率，并對(duì)截獲信號(hào)的載頻、脈內(nèi)調(diào)制等信息進(jìn)行分析、復(fù)制，進(jìn)而進(jìn)行有效的干擾，超寬帶、高分辨、高雜波抑制和低相位噪聲的頻率合成器是電子偵察與對(duì)抗系統(tǒng)所期望的[1-5]。此外，如信號(hào)源、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器設(shè)備對(duì)頻率源帶寬的要求也越來(lái)越高[3]。因此，研究超寬帶且滿足一定相噪、雜散和步進(jìn)頻率的微波頻率源具有重要的意義[6-9]。頻綜（頻率綜合器）設(shè)計(jì)中，雜散指標(biāo)抑制是考核其性能優(yōu)異的關(guān)鍵，因?yàn)殡s散干擾直接影響了接收系統(tǒng)的靈敏度，導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能下降[4]。因此，低雜散一直是國(guó)內(nèi)外工程師研究的熱點(diǎn)。寬帶頻綜在設(shè)計(jì)中遇到的雜散問(wèn)題就會(huì)更加突出，由于工作帶寬比較寬，雜波抑制在設(shè)計(jì)中需要考慮更多[10-11]。包括方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等諸多方面都需要考慮[7-8]。本設(shè)計(jì)介紹開(kāi)關(guān)濾波器組拓展頻率遇到的雜散問(wèn)題，并提出解決方法。

1 設(shè)計(jì)方案

頻率綜合器工作帶寬9 GHz，頻率步進(jìn)10 MHz，相位噪聲-90 dBc@1 kHz，雜散抑制大于60 dBc，工作溫區(qū)-45～+75 ℃。通過(guò)分析指標(biāo)，認(rèn)為此頻率綜合器設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題是：工作頻帶寬、頻率步進(jìn)小、體積小、雜散抑制高以及寬溫度工作的可靠性。綜上敘述，該頻綜方案如圖1所示，晶振信號(hào)功分兩路，一路通過(guò)S波段鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生2～3 GHz的跳頻信號(hào)作為中頻信號(hào)[13]；另一路信號(hào)經(jīng)過(guò)梳狀譜發(fā)生器以及開(kāi)關(guān)濾波器組產(chǎn)生10～14 GHz點(diǎn)頻信號(hào)作為本振信號(hào)，與前面產(chǎn)生的S波段跳頻信號(hào)相混頻。混頻器輸出通過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組，產(chǎn)生X-K頻段的頻率信號(hào)[1]。以上方案相噪實(shí)現(xiàn)問(wèn)題不大，但是混頻之后的交調(diào)分量較多，雜散問(wèn)題就需要著力解決[2,6,12]。

圖1 頻綜的方案Fig.1 Frequency synthesizer scheme

2 雜散來(lái)源

由于混頻器是依靠非線性元件來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻，而通過(guò)非線性元件信號(hào)將含有許多頻率成分（|±pfL±qfC|p, q=0,1,2,3…），有用信號(hào) uc(fc)與干擾信號(hào)±un(fn)混頻產(chǎn)生干擾，也是雜散的主要來(lái)源。圖2給出了非線性器件工作示意圖。

圖2 非線性器件工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of nonlinear device operation

從方案上可以看出，該款頻綜的雜散來(lái)源主要是混頻后的交調(diào)分量，但是帶通濾波器實(shí)測(cè)在帶外抑制能夠達(dá)到-70 dB，圖3所示為實(shí)際測(cè)試曲線，雜散指標(biāo)只能做到-45 dBc左右。

圖3 濾波器測(cè)試曲線圖Fig.3 Filter test curves

原因主要有幾個(gè)方面：（1）全頻帶帶寬較寬，通帶內(nèi)雜散指標(biāo)本身就很難解決；（2）工作溫區(qū)跨度大，器件的高低溫特性起伏大，造成雜散在低溫工作惡化嚴(yán)重；（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在局限，采用開(kāi)關(guān)濾波器組分段濾波，不可避免會(huì)由于開(kāi)關(guān)隔離度不夠加上腔體縫隙泄漏，造成雜散；（4）電路設(shè)計(jì)涉及模擬部分和數(shù)字部分，模數(shù)信號(hào)干擾，就會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生雜散。該頻綜的輸出是寬帶信號(hào)，雜波存在也不是某個(gè)點(diǎn)，為了方便說(shuō)明，文中的雜波信號(hào)采用點(diǎn)頻信號(hào)。

由于以上原因，遠(yuǎn)端雜散主要有本振泄漏、交調(diào)信號(hào)和中頻諧波。方案中寬帶信號(hào)多次混頻，本振信號(hào)就會(huì)泄露到射頻通道，形成本振泄漏雜散。其中本振泄漏也分為兩種：一種是輸出信號(hào)自身的本振信號(hào)泄漏，這一點(diǎn)在15～16 GHz（13 GHz本振和2～3 GHz中頻混頻）通帶內(nèi)體現(xiàn)明顯。濾波器抑制（70 dBc）和混頻器對(duì)本振的隔離(30 dBc)。（13 GHz）抑制=(70+30) dBc=100 dBc，13 GHz這一點(diǎn)雜散是滿足60 dBc要求，如圖3所示表述。13 GHz本振泄漏雜散15～16 GHz濾波器理論上應(yīng)該濾除，事實(shí)上無(wú)法濾除，實(shí)際調(diào)試中該點(diǎn)雜散常溫下只有-50 dB左右。諧波發(fā)生器輸出15 GHz的諧波信號(hào)正好落在15～16 GHz濾波器帶內(nèi)，也無(wú)法濾除。

圖4 本振泄漏描述Fig.4 The description diagram of local oscillator leakage

另外一種是諧波發(fā)生器給出的其他信號(hào)，由于上變頻后濾波器帶寬是1 GHz通帶，所需本振信號(hào)的±1 GHz諧波發(fā)生器輸出信號(hào)無(wú)法濾除，比如10 GHz輸出點(diǎn)的9 GHz和11 GHz的諧波發(fā)生器信號(hào)泄露。

圖5 本振泄漏描述Fig.5 The description diagram of local oscillator leakage

交調(diào)信號(hào)雜散組要是由中頻信號(hào)諧波和本振信號(hào)諧波混頻出來(lái)的信號(hào)正好落在通帶內(nèi)。在 13～14 GHz通帶內(nèi)交調(diào)信號(hào)，比如13.1 GHz信號(hào)輸出，存在13.6 GHz雜波，因?yàn)?3.1 GHz是由11 GHz本振和2.1 GHz的中頻上變頻而來(lái)，如表1所示為13～14 GHz通帶內(nèi)交調(diào)數(shù)據(jù)，這時(shí)本振的二次諧波22 GHz和中頻的四次諧波8.4 GHz混頻產(chǎn)生的13.6 GHz正好在13～14 GHz濾波器通帶內(nèi)。

表1 13～14 GHz通帶內(nèi)交調(diào)Tab.1 13－14 GHz passband intermodulation

中頻信號(hào)2～3 GHz的3，4，5，6次諧波出現(xiàn)在工作頻帶8～16 GHz頻帶內(nèi)，造成雜波，無(wú)法濾除。比如8～9 GHz通帶內(nèi)存在中頻的三次諧波，8 GHz信號(hào)輸出，存在中頻信號(hào)的3次諧波9 GHz，正好在通帶內(nèi)，形成雜波，如圖6所示。因?yàn)橹蓄l信號(hào)6次諧波可達(dá)到18 GHz，因此很多通帶內(nèi)存在以上現(xiàn)象的雜散。

圖6 8～9 GHz通帶內(nèi)諧波雜散Fig.6 8－9 GHz passband harmonic spursious

除了以上描述的雜散問(wèn)題，在輸出信號(hào)的近端也存在雜散干擾，近端雜散來(lái)源模數(shù)信號(hào)干擾，即串口通信模塊和單片機(jī)晶振時(shí)鐘帶來(lái)的干擾。本項(xiàng)目采用外接串口232芯片實(shí)現(xiàn)頻率跳變，232芯片屬于數(shù)字芯片，會(huì)對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制，即增加近端雜散（見(jiàn)圖7）。

圖7 中頻信號(hào)2 GHz近端雜散Fig.7 IF signal 2 GHz proximal spursious

3 雜散問(wèn)題的解決方法

經(jīng)上述分析，雜散的來(lái)源方式就決定了解決方式。本振泄漏帶來(lái)的雜散，主要是因?yàn)榍惑w的縫隙和開(kāi)關(guān)隔離度不夠造成的。腔體需要做好隔離，減少縫隙，因此開(kāi)關(guān)濾波器組采用隔筋，通過(guò)蓋板形成獨(dú)立的通帶，減少信號(hào)串?dāng)_。開(kāi)關(guān)隔離度不夠，解決辦法只有重新設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)。開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)采Hittite公司的 HMC347，多級(jí)開(kāi)關(guān)組成單刀五擲開(kāi)關(guān)，這樣隔離度疊加就可以滿足要求。

對(duì)于交調(diào)信號(hào)，最有效的解決辦法就是減小中頻信號(hào)輸出功率。但是過(guò)度減小中頻信號(hào)會(huì)帶來(lái)高溫輸出功率不滿足要求，為此在設(shè)計(jì)中改用溫補(bǔ)衰減器來(lái)代替普通衰減方式。從圖8圖9可以看出，溫補(bǔ)衰減器高低溫功率補(bǔ)償可以達(dá)到15 dB。采用溫補(bǔ)衰減器可滿足高溫輸出功率要求。

圖8 4 dB衰減器溫度特性曲線Fig.8 The temperature characteristic curves of 4 dB attenuator

圖9 3 dB衰減器溫度特性曲線Fig.9 The temperature characteristic curves of 3 dB attenuator

雖然采用了衰減器減小了中頻信號(hào)，但是它的諧波仍在帶內(nèi)。本研究采用了兩級(jí)單片低通濾波器級(jí)聯(lián)，有效避免了高次諧波的輻射帶來(lái)的雜散。如圖 10所示單片低通濾波器的性能曲線，其在 6～17 GHz頻帶內(nèi)抑制可以達(dá)到-50 dB，對(duì)9 GHz信號(hào)的抑制達(dá)到-60 dB，兩級(jí)濾波器滿足使用要求。

圖10 單片低通濾波器性能曲線Fig.10 Performance of MMIC low pass filter

以上分析遠(yuǎn)端雜波的解決方法，在實(shí)際測(cè)試中，近端雜波遠(yuǎn)比遠(yuǎn)端信號(hào)難以解決，因?yàn)樗趲?nèi)，距離主信號(hào)又近，濾除是不可能的，只能從設(shè)計(jì)上改進(jìn)。在不斷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要采取以下三種方式來(lái)減小干擾：在電路設(shè)計(jì)時(shí)，將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)；數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)采用穩(wěn)壓塊分別供電；改變器件的工作電壓。將數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分串口芯片MAX3232供電采用 LP5900SD-3.3V單獨(dú)供電，這樣既可以起到電源作用，也降低了 MAX3232的工作電壓，減小了其在近端產(chǎn)生干擾。對(duì)于PLL電源和單片機(jī)以及晶振的電源設(shè)計(jì)分開(kāi)獨(dú)立供電。

4 測(cè)試結(jié)果和分析

測(cè)試采用100 MHz參考晶振，0 dB參考電頻輸入，晶振型號(hào)為 PFOC3-0143，測(cè)試儀器使用Aglent4777頻譜分析儀。雜散測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖 11(a)中 8.1 GHz輸出信號(hào)的雜散達(dá)到-70 dBc，說(shuō)明采用單片低通濾波器能夠?yàn)V除中頻信號(hào)的高次諧波。在圖11（b）中，本振泄漏帶來(lái)的雜散也滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)電路設(shè)計(jì)改進(jìn)，近端雜散測(cè)試也滿足設(shè)計(jì)要求如圖11（c）和11(d)所示。

5 結(jié)論

從測(cè)試數(shù)據(jù)看出，該頻綜的設(shè)計(jì)雜散指標(biāo)達(dá)到-65 dB以上，滿足設(shè)計(jì)使用要求。當(dāng)然該頻綜的雜散存在原因，不僅僅包括以上幾個(gè)方面，也有器件不匹配、焊接等因素。本研究對(duì)在寬帶頻綜設(shè)計(jì)中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出需要注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題，對(duì)于進(jìn)行開(kāi)關(guān)濾波器組來(lái)設(shè)計(jì)寬帶頻綜的工程師，具有很好的參考價(jià)值和工程借鑒意義，避免走一些彎路，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

[1] MICHAEL P K, MO H J, LI Z D, et al. The noise and spur delusion in fractional-N frequency synthesizer design [C]//International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS).Lisbon, Portuguesa: IEEE, 2015: 2577-2580.

[2] 李占國(guó). 8～18 GHz寬帶微波頻率源模塊研究 [D]. 成都:電子科技大學(xué), 2010: 3-5.

[3] LIU L, FAN J W, LIU Q S. VCO based design of low phase noise microwave frequency synthesizer [C]// International Conference on Communication Technology (ICCT).Hangzhou: IEEE, 2015: 248-251.

[4] 王晉杰. 基于 YIG 振蕩器的微波超寬帶頻率綜合器研究 [D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2009: 32-54.

[5] MICHAEL P K, MO H J, YANN D. Phase noise and spur performance limits for fractional-N frequency synthesizers[C]// Irish Signals and Systems Conference (ISSC), Carlow:IEEE Ireland, 2015: 1-6.

[6] ZHI X G, XIAO H T. An 8～20 GHz wideband frequency synthesizer [C]// International Symposium on Intelligent Signal Processing and Commnication Systems(ISPACS2010). Chengdu: IEEE, 2010: 1-4.

[7] 蔡發(fā)娟. 寬帶微波鎖相頻率源設(shè)計(jì) [D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2010: 29-54.

[8] XIA M M, ZHU X W, ZHANG N Z. Design of low phase noise and wideband frequency synthesizer from 31.25 MHz to 8 GHz [C]// IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). Bali Island, Indonesia:IEEE, 2015: 460-461.

[9] CHEN J H, HUANG D P, LI W, et al. Wideband fraction-N frequency synthesizer design for software-defined radio[C]// Wireless and Microwave Technology Conference(WAMICON). Orlando, Florida: IEEE, 2013: 2-3.

[10] ZAFAR S, ZULKIFLI T Z A, AWAN M. Design of voltage controlled oscillator (VCO) for ultra wideband (UWB)CMOS frequency synthesizer [C]// International Conference on Intelligent and Advanced Systems. Kuala Lumpur, Malaysia: The Conterence Organizor, 2007:1383-1386.

[11] NASR R W, KISSINGER D. A 50 to 100 GHz frequency synthesizer with 17 dB side-band suppression using a single VCO core [C]// European Microwave Integrated Circuit Conference. Nuremberg, Germany: The Conterence Organizor, 2013: 89-92.

[12] 魯純, 韓周安. C頻段寬帶低雜散頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2015, 38(3): 87-94.

[13] 黃學(xué)金. X波段低相噪頻率綜合器設(shè)計(jì) [J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2015, 13(2): 263-266.

（編輯：曾革）

Research of the spurious in wideband frequency synthesizer design

LIU Lingling1,2, WANG Zili1,2, GE Feng1,2, SUN Tingting1,2
(1. Key Laboratory of Superconducting & Electronic Technologies, CETC, Hefei 230043, China; 2. The 16th Research Institute of CETC, Hefei 230043, China)

Spurious index of the frequency synthesizer module affects the system performance. A clutter suppression solution and method were proposed in the design of frequency synthesizer with 9 GHz bandwidth in X-K band. Wideband frequency synthesizer which includes the technique of phase-locked, multiplier, mixer and other commonly used technology, the main method of expanding frequency was using switch filter group. Because of the complex circuit design,and the disturbance of the digital signal, the spurious index of the circuit is the bottlenecks in the program. The frequency spurious mainly includes local oscillator leakage, high harmonics, intermodulation signals and digital circuit interference.Through the experimental analysis, the source of the spurious is found and the solution is given. The design requirements of this frequency synthesizer’s clutter suppression is -60 dBc. Finally, through repeated debugging procedures and circuits to achieve the requirements of the system targets, the spurious suppression of frequency synthesizer module can reach -65 dBc, within the work bandwidth of 9 GHz.

frequency synthesizer; wideband; spurious; local oscillator leakage; intermodulation signal; switching filter banks

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.013

TN741

A

1001-2028（2017）07-0066-05

2017-05-16

劉玲玲

劉玲玲（1988－），女，安徽合肥人，工程師，研究生，研究方向?yàn)槲⒉夹g(shù)領(lǐng)域的頻率源及組件方向，E-mail: mc1519@126.com 。

時(shí)間：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.013.html