小步進S波段直接頻率合成器設計

代傳堂，柴文乾

(中國電子科技集團第三十八研究所，安徽合肥 230088)

0 引言

頻率合成器是通信、雷達、儀器、空間電子設備和電視等電子系統的心臟，其好壞直接影響電子系統的性能指標［1］。隨著電子技術的飛速發展，現代雷達對頻率合成器的要求也越來越高，大頻帶、小步進、低雜散、低相位噪聲和快速變頻已成為頻率合成器的發展趨勢［2］。本文介紹了一種S波段小步進大帶寬的直接頻率合成器實現方法。該合成器輸出頻率范圍為2.67～2.97 GHz，工作帶寬為301 MHz，頻率步進為1 MHz，共301個頻點，并具有低雜散、低相位噪聲和快速變頻等特點。

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。

表1 頻率合成器的主要技術指標要求

通過對頻率合成器技術指標的深入分析，并結合實現的復雜程度，采用了直接合成的方案。

直接合成方式是利用倍頻器、分頻器和混頻器對頻率進行加減乘除運算，得到各種所需的頻率［3］。直接頻率合成器具有低相位噪聲和快速變頻等優點。同時，體積相對較大、成本較高，使得該合成方式的應用受到了一定的限制。但是，隨著微電子技術的發展，很多的功能電路可以實現芯片集成，從而直接頻率合成器的體積可以越來越小，成本也會越來越低。

2 設計方案

一般的直接合成方案通常采用的是高低頻標進行混頻濾波的方式，高低頻標則由梳齒波發生器通過開關濾波器濾波產生。這就意味著頻率合成器的頻率步進完全由低頻標決定。如要實現1 MHz的頻率步進，則要求低頻標信號(通常為幾百兆赫茲）的步進也為1 MHz。這樣的話，需要低頻標濾波器對中心頻率±1 MHz處的抑制通常要大于70 dBc。如此高指標的濾波器是難以實現的。

本文采用的直接合成方式中，低頻標梳齒波信號并沒有直接地進行濾波，而是分成兩路，一路濾波，另一路濾波分頻，再進行混頻處理，使得最后通過濾波產生出253～332 MHz的1 MHz 間隔低頻標信號具有高的雜散抑制。高頻標信號由S波段梳齒波發生器通過開關濾波產生，共4 種信號，分別為2.4、2.48、2.56和2.64 GHz。該高低頻標通過混頻、濾波和放大電路后產生出系統所需的2.67～2.97 GHz信號。該方案的原理實現框圖見圖1所示。

圖1 頻率合成器實現原理框圖

3 主要技術指標分析

3.1 雜散抑制

雜散是指和輸出信號沒有諧波關系的一些有限頻率，在頻譜上可能表現為若干對稱邊帶，也可能表現為信號頻率譜線旁的非諧波關系的離散譜線。這些譜線往往都高于噪聲。這些無用信號若通過混頻進入接收機中頻信號帶內，將會影響雷達的改善因子，甚至會造成雷達的錯誤跟蹤。所以，雜散抑制是頻率合成器的重要指標之一。

本頻率合成器所需實現的雜散抑制指標為大于等于65 dBc，可主要通過以下幾個方法來實現。首先也是最為關鍵的，是選取合適的混頻頻率窗口，以及適當的混頻信號的電平，使得混頻產生的交調寄生信號落在所需信號的帶外，從而可以用后級的濾波器將這些寄生信號進行濾除。若寄生信號離所需的信號頻率較近，則可以通過將后級濾波器分段濾波來提高對寄生信號的抑制效果，從而達到提高雜散抑制的目的。其次，加強電源濾波和加強重要模塊的屏蔽設計等措施來進一步提高雜散抑制。

3.2 跳頻時間

跳頻時間為頻率合成器輸出的頻率從某一頻率變換到另一頻率時所需的時間，是頻率合成器的主要指標之一。直接頻率合成器的跳頻時間由控制電路的延遲、開關的切換時間和濾波器的延遲時間綜合決定。通常情況下，控制電路的延遲和開關的切換時間均小于100 ns，所以直接頻率合成器的跳頻時間主要由濾波器的響應時間決定。

濾波器的3 dB 帶寬B3dB與脈沖從10%上升到90%峰值電平所需的上升時間tr之間的基本關系為

其中，k為比例因子，通常取值在0.3～0.45 之間［4］。由上式可知，濾波器的帶寬越窄，其響應時間就越長。

本方案中，P 頻標的濾波器帶寬最窄，是影響整個系統跳頻時間的主要因素。該濾波器的響應時間約為1 μs。所以，系統總的跳頻時間應滿足小于等于2 μs的要求。

3.3 相位噪聲

相位噪聲是頻率合成器的重要指標。它表征了頻率穩定度的高低，影響著雷達系統的檢測能力。從頻域上看，頻率合成器的相位噪聲是對稱分布在信號的載波兩側的連續譜，一般是按高斯分布的。

根據相位噪聲的定義，偏離載頻頻率為fm處中心1 Hz 帶寬內的單邊帶相位噪聲功率與載頻總功率之比定義為該頻率fm處的單邊帶相位噪聲［5］:

式中，φ2(fm）為fm處的單邊帶相位功率譜密度，單位為rad2/Hz，等于由Pn引起的相位抖動均方值;Pn為偏離載頻fm處1 Hz 帶寬內的單邊帶相位噪聲功率;P0為載頻總功率。用對數表示為

單位為dBc/Hz。

本頻率合成器所要實現的相位噪聲指標為－115 dBc/Hz@1 kHz，選取的恒溫晶振相位噪聲約為－153 dBc/Hz@1 kHz。根據倍頻器的相位噪聲理論，倍頻器輸出的相位噪聲理論為

式中，Li為輸入信號的單邊帶相位噪聲，N為倍頻的次數。在實際應用中，倍頻器實際的輸出相位噪聲還應該加上電路的附加噪聲。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。

本頻率合成器設計方案中，晶振信號最大倍頻次數為33 次，理論上惡化約31 dB，加上電路的附加噪聲，實際輸出信號的相位噪聲應該優于－117 dBc/Hz@1 kHz，可以滿足系統的指標需求。

4 研制結果

通過以上分析，設計出具體的電路。該直接頻率合成器主要技術指標實現結果如表2所示。

表2 頻率合成器技術指標實現結果

通過表2 可以看出，頻率合成器的所有技術指標均滿足設計要求，相位噪聲的實際指標也與理論的分析基本接近。

下面給出頻率合成器主要指標的測試曲線和實物照片。

圖2為頻率合成器輸出2.7 GHz信號時1 GHz 頻率范圍內的雜散抑制頻譜特性圖。可以看出，該頻點處的雜散抑制大于68 dBc。

圖3為頻率合成器輸出信號的頻率從2.7 GHz 變換到2.701 GHz時的跳頻時間測試圖，可看出該跳頻時間為1.16 μs。

圖2 輸出2.7 GHz信號的頻譜圖

圖3 跳頻時間測試圖

圖4 輸出2.7 GHz信號的相位噪聲測試圖

圖5 輸出2.701 GHz信號的相位噪聲測試圖

圖4、圖5分別為頻率合成器輸出頻率為2.7 GHz和2.701 GHz時的相位噪聲測試曲線，可以看出相位噪聲指標分別優于－120 dBc/Hz@ 1 kHz和－121 dBc/Hz@1 kHz。

圖6為該頻率合成器的實拍照片，結構盒體采用了輕質鋁合金材料，經過精密加工而成，其外形尺寸為280 mm×245 mm×60 mm。

圖6 頻率合成器實物照片

5 結束語

隨著現代雷達技術的飛速發展，雷達系統對頻率合成器提出了更高的要求［6］，從而推動了頻率合成技術的發展。本文采用了一種改進型直接頻率合成技術，實現了S波段大帶寬、小步進、低雜散、低相位噪聲和快速變頻的頻率合成器設計，各項指標均滿足系統的要求，并已成功應用于某新型多功能雷達系統，工作穩定可靠。

［1］Vadim Manassewitsch.頻率合成原理與設計［M］.何松柏，宋亞梅，鮑景富，等譯.3 版.北京:電子工業出版社，2008.

［2］劉永智，鮑景富，高樹廷.一種寬帶頻率綜合器的設計與實現［J］.中國電子科學研究院學報，2011，6(1）:24-27.

［3］萬天才.頻率合成器技術發展動態［J］.微電子學，2004，34(4）:366-370.

［4］柴文乾，段宗明，代傳堂.直接頻率合成器的模塊化設計與分析［J］.電訊技術，2008，48(12）:47-51.

［5］高樹廷.間接式雷達頻率合成器的相位噪聲分析與測量［M］//微波頻率源及其測量.西安:陜西科學技術出版社，1991.

［6］柴文乾.一種小型化低相噪S波段直接頻率合成器［J］.雷達科學與技術，2005，3 (5）:306-309.