一種Ku波段寬帶低相噪頻率合成器研制

魯長來，汪　煒，謝　遲

(安徽四創電子股份有限公司，合肥 230088)

0　引　言

小型周界監視雷達設備主要用于監視、跟蹤用戶關注區域范圍內地面以及近地高度空間上的行人、車輛、飛行器等各型入侵目標活動情況并適時發出安全告警信號。基于調頻連續波體制的頻掃周界監視雷達系統一方面需要很好的雜波中可見度指標特性以保證雷達在地面或環境強雜波下的小信號目標提取能力，另一方面也需要較寬的工作頻率范圍以保證空間波束頻掃覆蓋能力。而雷達系統要實現這些功能就必須對整機指標進行分解，落實到系統中的各個設備環節中去，具體體現到對頻率源設備的技術要求主要包括低相噪、寬帶、頻率步進跳變、低雜散等性能指標項。在工程實踐中設計人員不僅要考慮各項技術指標要求的滿足情況，還要考慮選擇一種相對優秀的頻率合成方案，以期獲得產品的最佳性價比。

1　技術要求

頻率范圍：13.18～14.68 GHz，1.5 GHz帶寬

跳頻步進：20 MHz，共76個頻點

輸出功率：+12 dBm±1.5 dB

相位噪聲：≤-110 dBc/Hz@1 kHz，≤-113 dBc/Hz@100 kHz，≤-122 dBc/Hz@1 MHz

雜散抑制：≥85 dB(10 MHz帶內)，≥70 dB(10 MHz帶外)

跳頻時間：≤500 μs

2　方案選擇

針對文中給出的某型Ku波段小型周界監視雷達系統頻率合成器的技術要求，如果采用全模擬直接合成方法會導致大量的硬件消耗且代價高昂，而采用整數直接分頻鎖相合成方法雖然硬件簡單但又會面臨很大的技術指標實現風險。圖1中給出的一種基于小數分頻鎖相環[1]的合成方案，采用在80 MHz參考信號頻率(R=1)上直接鑒相，既能降低環路分頻比，又可以保證輸出信號的跳頻步進要求，電路也很簡單，但輸出信號相噪的近區(偏離載頻1 kHz左右)由于受到器件閃爍噪聲特性的影響根本達不到-110 dBc/Hz的指標，相噪的中遠區(偏離載頻100 kHz左右)也受到器件平底白噪聲的限制無法達標，而且13.18～14.68 GHz的寬帶VCO指標受限也直接限制了輸出信號相噪的遠區(偏離載頻1 MHz左右)指標。這時，即使參考源相噪很好也起不到任何改善作用，其典型相噪測試曲線如圖2所示。

圖3給出了一種基于混頻鎖相環的合成方案。圖中，PLL1保證20 MHz的跳頻步進功能，PLL2保證100 MHz的跳頻步進功能，采用環內混頻、整數分頻鎖相電路直接產生一個S波段1.5 GHz全頻帶帶寬的跳頻頻標，然后利用介質振蕩取樣鎖相環產生X波段單點頻頻標，經過頻譜搬移至13.18～14.68GHz頻帶上。PLL1與PLL2組合達到了降低鎖相分頻比和寬帶跳頻的目的，但也存在PLL2分頻比跨度過大、環內寬帶混頻虛假抑制不夠帶來的相噪一致性差和環路穩定性等系列問題。S波段寬帶VCO指標受限造成輸出信號相噪的遠區(偏離載頻1 MHz左右)指標不夠，中近區相噪指標也臨界，其典型相噪測試曲線如圖4所示。

顯然，圖1和圖3的合成方案無法支撐本案中的技術要求實現。圖5采用了一種三級鎖相頻標法合成方案，是在圖3的基礎上進行了改進設計，改進思路包括將環內混頻移至環外、降低低頻頻標鎖相分頻比、合理分配各級頻標帶寬等舉措。圖中，PLL1產生1.9～2.4 GHz、步進100 MHz的信號，再5分頻得到0.38～0.48 GHz、步進20 MHz的P波段頻標信號。PLL2產生1.5～2 GHz、步進100 MHz的L波段頻標信號，經與P波段頻標混頻后可得到1.88～2.48 GHz、步進20 MHz的S波段跳頻信號。PLL3通過介質振蕩取樣鎖相環產生11.9 GHz的點頻信號，與100 MHz恒溫晶振6倍頻產生的600 MHz點頻信號混頻產生上、下邊帶兩個頻點信號，與11.9 GHz信號一起送開關濾波器選擇輸出得到11.3～12.5 GHz、步進600 MHz的X波段頻標信號。最后將S波段跳頻信號與X波段頻標信號混頻合成形成最終13.18～14.68 GHz、步進20 MHz的Ku波段信號輸出。

3　性能分析

3.1　相噪分析

圖5中Ku波段13.18～14.68 GHz合成信號的相位噪聲指標主要決定于P波段頻標、L波段頻標以及X波段頻標的相噪性能[2]，其他各級混頻、放大濾波電路的噪聲影響情況基本可以通過噪聲加性原理[3]大致估算。方案中采用100 MHz恒溫晶振作為整機參考源，其相噪指標為-157 dBc/Hz@1 kHz，-168 dBc/Hz@100 kHz，-170 dBc/Hz@1 MHz，PLL1中器件噪聲基底約為-148 dBc/Hz，以最高24倍鎖相倍頻噪聲惡化來估算，PLL1輸出信號1.9～2.4 GHz的相噪可以達到-118dBc/Hz@1 kHz，-119 dBc/Hz@100 kHz，-132 dBc/Hz@1 MHz，其中遠區1 MHz相噪主要是由VCO器件決定的。方案中5分頻器器件噪聲基底約為-145 dBc/Hz。這樣考慮分頻器的噪聲改善效果[4]，最終P頻標0.38～0.48 GHz輸出信號的相噪水平可達-130 dBc/Hz@1 kHz，-131 dBc/Hz@100 kHz，-140 dBc/Hz@1 MHz。PLL2的噪聲性能與PLL1相當，輸出的L波段頻標1.5～2 GHz信號相噪可達到-118 dBc/Hz@1 kHz，-120 dBc/Hz@100 kHz,-132 dBc/Hz@1 MHz。PLL3中介質振蕩取樣鎖相環輸出11.9 GHz信號的相噪可達到-113 dBc/Hz@1 kHz，-120 dBc/Hz@100 kHz，-128 dBc/Hz@1 MHz。 晶振倍頻的600 MHz輸出信號相噪為-138 dBc/Hz@1 kHz，-145 dBc/Hz@100 kHz，-150 dBc/Hz@1 MHz,所以混頻產生的X波段頻標11.3～12.5 GHz相噪基本等同于PLL3的輸出信號噪聲水平。綜合P頻標、L頻標、X頻標信號的相噪分布情況可得出合成后的Ku波段信號相噪指標可達到-112 dBc/Hz@1 kHz，-116 dBc/Hz@100 kHz，-126dBc/Hz@1 MHz，其中L頻標和X頻標的噪聲貢獻占主導地位。

3.2　雜散分析

本案中Ku波段合成信號的雜散分布主要來源于P、L、X三級頻標信號本身以及混頻電路的非線性固有特性。圖5中PLL1、PLL2、PLL3均采用100 MHz高速鑒相器、整數倍頻工作。這里鎖相環電路的雜散主要來自于鑒相器的參考信號調制泄露，而這類雜散基本可以通過環路濾波器的作用控制在75 dB以上，PLL1之后的5分頻器對PLL1的雜散抑制還有一定的改善作用。方案中混頻電路的雜散主要通過頻率窗口設計、電路線性化設計、開關濾波選頻等措施解決。圖中3路開關濾波放大1電路采用3段濾波器選頻，每段濾波器帶寬設計為200 MHz，3路開關濾波放大2電路采用2個點頻窄帶濾波器選頻。整體來看，方案設計上可以保證Ku波段輸出信號10 MHz帶內無雜散分布，10 MHz帶外雜散抑制度不低于75 dB的性能水平。

3.3　寬帶跳頻性能分析

雖然本系統對于輸出信號的跳頻時間指標要求不高，但是在設計上還是要針對指標的可實現性進行論證，以免技術狀態失控。從圖5的方案架構上可以看到，真正影響本案跳頻時間性能的環節是PLL1和PLL2兩個部分，其他諸如開關濾波環節和時序控制接口電路的累計切換時間都能控制在5 μs以內，對系統的影響因素基本可以忽略。PLL1和PLL2電路中器件選擇基本一樣，跳頻性能基本相當，考慮到環路自身的鑒頻鑒相功能、環路濾波電路參數配置、VCO穩定度等各項影響因素，依據鎖相環路經典的跳頻時間估算方法[3]得到跳頻時間值約為420 μs左右。

4　測試結果

依據圖5技術方案研制的Ku波段頻率合成器產品經過悉心調試、測試、試驗驗證，目前技術性能良好。重點針對指標要求的合成器輸出信號相位噪聲性能、寬帶工作性能、跳變時間性能以及雜散抑制性能進行了工程測試。典型測試結果曲線見圖6、圖7、圖8、圖9。從曲線中可以看到，13.18～14.68 GHz頻段內信號的相位噪聲指標達到了-111 dBc/Hz@1 kHz，≤-114 dBc/Hz@100 kHz，≤-124 dBc/Hz@1 MHz，具有一定的設計余量，而且各個頻點之間的相噪曲線一致性較好，最長跳頻時間(跳變跨度1.5 GHz)可達400 μs，遠區(10 MHz帶外)雜散抑制可控制在75 dB以上，近區(10 MHz帶內)除噪聲以外幾乎沒有離散的雜波信號。

5　結束語

本方案中綜合采用小分頻比整數分頻鎖相環、介質振蕩取樣鎖相環、模擬混頻頻率搬移的途徑合成了Ku波段高性能信號輸出，通過三級可跳鎖相頻標產生方案合理分配各級頻標帶寬，既保證了最終輸出信號寬帶覆蓋、低相噪、步進跳頻、低雜散等技術指標要求，又縮減了硬件設備量，還有效規避了應用DDS作為步進頻標帶來的近區高雜散抑制度難以控制的問題。經全面測試驗證，該合成器的性能水平達到了預期的研制目標，能夠滿足某Ku波段小型周界監視雷達的使用需求。