S波段捷變頻頻率合成器的設計

楊 迎，張 杰

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088）

0 引 言

頻率合成器是現代電子系統的核心設備，其頻譜純度、精度、頻率分辨率和變頻時間等技術指標直接影響整個電子系統的性能表現。目前，主要的頻率合成技術有直接模擬頻率合成、鎖相環（PLL）、直接數字合成（DDS）等3種方式。直接模擬頻率合成的顯著優點是電路原理相對簡單，跳頻時間短，相位噪聲特性好，缺點是功耗、成本、體積較大。PLL則是建立在相位負反饋的理論基礎之上，用鎖相環路鎖定壓控振蕩器（VCO），由VCO間接產生所需頻率，其優點是頻率穩定度高、雜散抑制好、調試方便，但頻率轉換速度慢，且精細步進會產生相噪的惡化。作為新一代的數字頻率合成技術，DDS具有變頻時間短、頻率分辨率高、相對帶寬寬、可編程、易于單片集成等優點，缺點是由于D／A時鐘的限制，其最大輸出頻率較低。［1］采用單一的頻率合成技術目前難以達到高速高頻小型化頻率合成器的要求。為此，本文介紹了一種采用直接模擬頻率合成與DDS技術相結合的頻率合成方法，實現了一種S波段捷變頻頻率合成器，其頻率步進為5 MHz，跳頻時間小于2μs，相位噪聲優于－119 dBc／Hz＠1 kHz，并具有體積小以及輸出信號頻率、功率可調的特點。

1 設計要求

某系統對頻率合成器提出的主要技術指標如表1所示。

可以看出，系統要求頻率合成器能實現S波段的兩種不同頻段信號輸出，要求其頻率捷變時間快，且對相位噪聲和雜散抑制指標要求較高。

表1 頻率合成器的主要技術指標要求

2 實現方案

2.1 基本實現原理

本次頻率合成器實現的主要技術路徑是采用高低頻標進行混頻濾波的方式產生系統所需的2.66～2.91 GHz／2.74～3.04 GHz信號。

若采用完全直接模擬頻率合成，雖然能滿足頻率捷變的特性，但其存在輸出頻點多時設備量大、濾波器頻點定制離散、拓撲結構基本無法統一、效率低下等缺點。為此，本次頻率合成器在設計時只有S波段高頻標點源選擇由傳統的梳齒波發生器通過開關濾波產生，用以提供頻率粗調；而頻點較多的P波段低頻標信號則采用了DDS技術，用以提供頻率精調。采用DDS實現小頻標信號，可一定程度減少硬件設備量，有利于頻率合成器的小型化設計。同時，由于DDS的可編程性，還可方便地實現頻帶變化，對于S波段內的不同頻帶頻率輸出可直接通過修改軟件實現，避免了電訊的重復設計，提高設計效率。

DDS的頻率切換時間取決于頻率控制字的傳輸時間及以LPF為主的器件響應時間，一般在納秒級。［2］故選用梳妝譜點源和DDS低頻信號相混頻的方式，也能實現捷變頻特性。

方案的原理實現框圖如圖1所示。將梳狀譜產生的S波段高頻標與DDS產生的P波段低頻標信號進行混頻處理，經過多路開關濾波組件分時選取出對應的頻點信號，實現2 660～2 910 MHz（及2 740～3 040 MHz）的5 MHz間隔信號輸出，并在末級采用數控衰減放大以實現輸出信號的功率可調。

圖1 頻率合成器原理實現框圖

2.2 S波段高頻標實現

S波段高頻標的產生方法主要有兩種：一是采用數字鎖相方式，優點是電路簡單，雜散抑制好，但其變頻時間相對較長，相位噪聲也較差，不能滿足系統要求；二是采用諧波發生器結合開關濾波組件方式，優點是原理簡單，頻率捷變快，一般達納秒級，相位噪聲較好，但體積較大。為此，本次頻率合成器設計時將梳齒波發生器后的濾波器由傳統的聲表濾波器改進為FBAR濾波器（體積更小），同時將梳齒波發生器與FBAR濾波器統一集成為模塊（點頻源），從而進一步優化了體積。

具體實現時，S波段高頻標FBAR點源以200 MHz為大步進，分別產生2.4、2.6 GHz信號，并通過開關濾波組進行切換。在實際工程應用中，預留硬件可擴充性，對梳齒波高頻標點源的二選一實際選型為四選一開關濾波組，以備用頻寬擴充之需，帶寬窄的時候另外兩路可閑置不用。此方案噪聲指標優異，集成度高，有利于頻率合成器的小型化設計。本次頻率合成器選取的恒溫晶振相位噪聲約為－155 dBc／Hz＠1 kHz，根據倍頻器的相位噪聲理論，倍頻后輸出信號的相位噪聲值為

式中，Li為輸入信號的單邊帶相位噪聲；N為倍頻次數；ΔL為電路的附加噪聲。［3］

通過電路的優化設計，可使附加噪聲對相位噪聲的惡化控制在5 dB以內。對S波段高頻標點源，晶振信號的最大倍頻次數為26次，理論上惡化約28 dB，加上電路的附加噪聲，實際輸出S波段頻標源的相位噪聲應該優于－122 dBc／Hz＠1 kHz。

2.3 P波段低頻標實現

低頻標頻率為260～455 MHz（及340～535 MHz），頻率步進5 MHz。本次頻率合成器設計時采用全數字化的信號產生方式DDS來生成P波段低頻標信號，其性能指標如表2所示。

表2 DDS頻標源的性能指標

可以看出，DDS頻標源在400 MHz輸出時相位噪聲典型值為－128 dBc／Hz＠1 kHz，其參考輸入頻率為4 GHz，這可由100 MHz晶振參考信號通過梳齒波發生器并由窄帶濾波器選取產生。該DDS頻標源的最大輸出頻率為1 600 MHz，使用時可通過軟件設定其輸出頻率為260～455 MHz（及340～535 MHz），頻率步進設為5 MHz。

2.4 S波段捷變頻頻率合成器的實現

S波段高頻標在2.6 GHz輸出時偏移1 kHz處的相噪噪聲優于－122 dBc／Hz。P波段低頻標在400 MHz輸出時相位噪聲為－128 dBc／Hz＠1 kHz。根據混頻器的相位噪聲原理，當兩路輸入信號相噪近似相等時輸出相噪惡化3 dB，而當兩路輸入信號相噪相差較大時，輸出相噪主要取決于相噪較差的輸入信號。［4］故理論輸出信號相噪約為－122 dBc／Hz＠1 kHz，考慮到后級功率放大電路等附加噪聲影響，實際推導得到的輸出信號相噪指標在1 kHz處應該優于－115 dBc／Hz。

3 研制結果

該頻率合成器兼顧了跳頻時間、相位噪聲、雜散抑制以及結構體積，研制結果如圖2～圖4所示。

圖2 S波段高頻標FBAR點源的相位噪聲特性曲線

圖3 輸出2 740 MHz時的雜散抑制和相位噪聲特性曲線

圖4 頻率合成器研制實物圖

圖2為S波段FBAR點源的相位噪聲特性曲線?？梢钥闯?，2.4 GHz的相位噪聲實測為－125 dBc／Hz＠1 kHz，2.6 GHz的相位噪聲實測為－123 dBc／Hz＠1 kHz，與理論分析值基本相符。圖3為選取頻率合成器最高輸出頻點2 740 MHz，對其雜散抑制與相位噪聲特性進行測試的結果?？梢钥闯?，其雜散抑制大于69 dBc，相位噪聲優于－119 dBc／Hz＠1 kHz。該頻率合成器信號的最大輸出功率為12 dBm，末級的數控衰減可實現0～7 dB衰減控制，從而實現輸出信號功率從5～12 dBm可調。通過軟件的靈活設置，可實現系統所需頻率合成器的兩種不同頻帶信號輸出。圖4為頻率合成器的研制實物圖，其外形尺寸為175 mm?145 mm?25 mm，實現了小型化設計。由上，本次研制的S波段捷變頻頻率合成器的所有技術指標均滿足設計要求。

4 結束語

本文采用直接模擬頻率合成與DDS技術相結合的方案，實現了S波段高集成、低雜散、低相位噪聲的捷變頻頻率合成器設計，具有輸出信號的頻率、功率可調的特點。本次研制的頻率合成器其各項指標均滿足系統的要求，已成功應用于某大型陣地雷達系統，工作穩定可靠。