一款K 及KU 波段混頻環的設計與實現

孫高勇，張加程，任浩銘

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

頻率源廣泛應用于雷達、電子對抗、通信等收發系統，其指標的好壞直接影響整個系統性能。按照頻率的產生方式，頻率源可分為鎖相式頻率源和直接合成式頻率源。直接合成式頻率源主要采用倍頻和混頻方式產生，在相位噪聲指標方面有明顯優勢[1]。相位噪聲是頻率合成器的一個極為重要的指標，降低相位噪聲是頻率合成器的主要設計任務[2]。為滿足電子系統對低相位噪聲、低雜散、小頻率步進以及小體積的要求，設計并制作了一款K 及KU 波段混頻環，最終實物測試性能優良。

1 方案設計

設計一款K 及KU 波段混頻環，輸出頻率為16 ～20 GHz，步進頻率為100 MHz，相位噪聲為-111 dBc/Hz@1 kHz， 雜散為-60 dBc， 體積為48 mm×40 mm×10 mm。該混頻環主要包括主環和副環，主環的功能為產生16 ～20 GHz、步進為100 MHz的本振信號；副環的功能為產生14 ～17 GHz、步進為1 GHz 的射頻信號。混頻環通過將信號從高頻段混頻到低頻段進行鎖相的方式來降低相位噪聲。

1.1 低相位噪聲設計

混頻環的原理框架如圖1 所示，其相位噪聲主要由主環相位噪聲、副環相位噪聲綜合決定。一般綜合考慮頻率步進、相位噪聲、頻率切換時間等技術指標，通過設計主環環路帶寬來滿足混頻環的遠近端相位噪聲。

圖1 混頻環的原理框架

該混頻環內部的頻率變換關系如表1 所示，其中f中頻信號=f本振信號-f射頻信號。主環信號作為混頻的本振信號，副環信號作為混頻的射頻信號，混頻環通過16 ～20 GHz 主環信號與14 ～17 GHz 副環信號混頻到2 ～3 GHz 的中頻頻段進行鎖相，降低相位噪聲。

表1 混頻環內部的頻率變換關系

1.1.1 副環電路低相位噪聲設計

混頻環通過2 級梳譜的方式產生副環信號，即100 MHz 輸入信號經過1 級梳譜、濾波、放大后產生1 GHz 信號，1 GHz 信號再經過另外1 級梳譜、濾波、放大后產生14 ～17 GHz、步進為1 GHz 的信號。

在頻率源中，利用梳譜信號發生器所產生的各次諧波，通過頻率合成可得到點數很多的穩定頻率輸出，應用到雷達、通信、測量遙控以及儀器中[3]。從實現梳狀譜倍頻的方法上來看，由早期的非線性電阻二極管倍頻發展到晶體三極管、變容二極管、階躍恢復二極管倍頻等。階躍恢復二極管是對PN 結材料和結構采取特殊措施而設計的一種電容開關或變容管。在外加大信號交流電壓的激勵下，階躍二極管呈現2 種阻抗狀態，具有電容開關特性[4]。該產品中的梳譜電路原理為利用階躍二極管的非線性特點產生豐富的諧波，達到倍頻的目的。副環輸出頻率為17 GHz時，相位噪聲最差，仿真曲線如圖2 所示，相位噪聲為-114 dBc/Hz@1 kHz。

1.1.2 主環電路低相位噪聲設計

壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）產生的16 ～20 GHz 信號分為2 路，一路經過放大輸出，另外一路經過放大后作為混頻器的本振信號，與副環信號混頻到2 ～3 GHz 頻段進行鎖相。其中VCO采用GaAs HBT 工藝，具有閃爍噪聲低和熱穩定好的特點[5]。

主環采用數字鎖相方式，用于數字鎖相的鑒相器在整數普通模式下具有-230 dBc/Hz 的歸一化相位噪聲；采用100 MHz 鑒相頻率，混頻環輸出為20 GHz 時相位噪聲最差，如圖3 所示，其值為-112dBc/Hz@1 kHz。

圖3 主環相位噪聲仿真曲線

1.2 低雜散設計

混頻環雜散按照傳輸路徑，主要分為鏈路上產生的雜散、空間串擾產生的雜散。

1.2.1 鏈路上產生的雜散優化設計

為了優化鏈路上產生的雜散，主要采取以下幾種措施。選擇本振射頻隔離度高、混頻雜散特性合適的混頻器；主環信號經過放大器后作為混頻器的本振，用放大器反向隔離副環信號；主環信號與副環信號混頻后，通過低通濾波器濾除高頻分量，再取其差頻作為主環鑒相器的射頻信號；綜合相位噪聲、頻率切換時間等指標，采用4 級有源環，并選取合適的環路帶寬，降低鑒相泄露；對各器件供電電源進行充分的隔離濾波，防止電源串擾。

1.2.2 空間串擾產生的雜散優化設計

混頻環內部同時存在主環信號、副環信號、中頻信號，需要對不同的信號進行隔離處理，防止不同信號空間串擾。該產品結構通過壓框將主環信號、副環信號、中頻信號進行分腔，并且每個隔腔進行單獨封蓋處理，減小不同信號空間串擾。

2 測試結果

混頻環的測試結果如圖4 所示。由測試結果可知，該混頻環的輸出頻率為16 ～20 GHz，步進頻率為100 MHz，相位噪聲為-111 dBc/Hz@1 kHz，雜散為-60 dBc。其中，混頻環-111 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪聲實測值較圖3 中主環-112 dBc/Hz@1 kHz的相位噪聲仿真值惡化1 dB，這是由于圖2 中副環-114 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪聲未優于圖3 中主環-112 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪聲6 dB 以上，混頻過程相位噪聲惡化導致的，后續可根據測試結果優化副環相位噪聲。

圖4 混頻環測試結果

3 結 論

設計研制的混頻環，輸出頻率為16 ～20 GHz，步進頻率為100 MHz，相位噪聲為-111 dBc/Hz@1 kHz，雜散為-60 dBc，能夠電子系統的低相位噪聲低雜散應用需求。后續根據測試結果，將進一步優化相位噪聲。