寬帶微波本振源研究與設(shè)計(jì)

蔣開創(chuàng), 何 波, 蘇 坪

（上海無線電設(shè)備研究所,上海 200090）

寬帶微波本振源研究與設(shè)計(jì)

蔣開創(chuàng), 何 波, 蘇 坪

（上海無線電設(shè)備研究所,上海 200090）

介紹了一種工作頻段從Ku波段到K波段的寬帶微波本振源的設(shè)計(jì)方法。首先對寬帶微波本振源的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和分析,包括寬帶跳頻鎖相環(huán)和多通道開關(guān)濾波技術(shù)；然后,運(yùn)用ADIsim PLL鎖相環(huán)仿真軟件、HFSS高頻仿真軟件進(jìn)行了相關(guān)部分的設(shè)計(jì)和仿真；最后,給出了測試結(jié)果及其分析。

寬帶跳頻；鎖相環(huán)；多通道濾波

0 引言

頻率源是通信、雷達(dá)、空間電子設(shè)備和電視等電子系統(tǒng)的心臟,其性能好壞將直接影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)。頻率綜合技術(shù)按所經(jīng)歷的發(fā)展來分類,大致可分為以下幾個(gè)技術(shù)階段：直接頻率合成DS、鎖相間接頻率合成PLL、直接數(shù)字頻率合成DDS、分?jǐn)?shù)頻率合成NPLL以及混合式頻率合成等［1］。其中,鎖相間接頻率合成是目前最成熟且使用最為廣泛的頻率合成技術(shù)之一。

在各種地面、艦載、機(jī)載以及彈載檢測雷達(dá)的使用中,許多雷達(dá)設(shè)備需要具備寬頻段、小步進(jìn)的跳頻掃頻性能。因此,高性能的寬帶頻率源是保證雷達(dá)系統(tǒng)能夠在寬頻帶范圍內(nèi)穩(wěn)定以及高性能工作的前提。

此外,現(xiàn)代寬帶雷達(dá)系統(tǒng)的射頻接收前端一般采用經(jīng)典的超外差結(jié)構(gòu),即第一本振采用跳頻本振,使得雷達(dá)系統(tǒng)能夠在寬頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描,并將接收到的射頻信號下變頻到固定的第一中頻。因而,寬帶雷達(dá)設(shè)備的頻率源部分的研制工作主要是對作為第一本振使用的寬帶微波本振源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 寬帶微波本振源設(shè)計(jì)

寬帶微波本振源主要由鎖相環(huán)、倍頻放大和開關(guān)濾波三個(gè)部分組成,其原理框圖如圖1所示。其中,鎖相環(huán)部分將產(chǎn)生穩(wěn)定的基波振蕩信號,再通過倍頻放大部分實(shí)現(xiàn)基波頻率的倍頻,最后通過開關(guān)濾波組來進(jìn)行頻率的選擇與濾波。

圖1 寬帶微波本振源原理框圖

由于頻率輸出范圍大,雜散及諧波成分復(fù)雜,鎖相環(huán)和開關(guān)濾波兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是研制寬帶微波本振源的難點(diǎn)。

1.1 寬帶跳頻鎖相

鎖相環(huán)（Phase Locked Loop,PLL）是一種相位比較控制系統(tǒng),通過比較VCO輸出頻率與參考頻率的相位來達(dá)到提高VCO輸出頻率穩(wěn)定度及降低相位噪聲的目的。與直接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成相比,鎖相環(huán)技術(shù)具有雜散低、相位噪聲好、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此,在滿足跳頻時(shí)間和頻率步進(jìn)要求的情況下,鎖相環(huán)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)載以及彈載寬帶跳頻源的理想選擇。

寬帶微波本振源由于輸出頻率范圍大,若采用單個(gè)鎖相環(huán)進(jìn)行鎖定,將造成環(huán)路鎖定困難。因此,采取的解決方案是將本振源頻率劃為兩段,分別由兩個(gè)不同的寬帶VCO來產(chǎn)生所需頻率,然后再通過TTL電平控制選通開關(guān)來選擇輸出頻率及相應(yīng)的鎖相環(huán)路,其原理框圖如圖1中鎖相環(huán)部分所示。

在根據(jù)TTL電平選擇好鎖相環(huán)路之后,本振信號的產(chǎn)生問題就是單個(gè)鎖相環(huán)的鎖定問題,因此分析方法與單鎖相環(huán)電路相同。單個(gè)鎖相環(huán)電路的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示,含有VCO、鑒相器、環(huán)路濾波器和分頻器等元件［2］。

圖2 鎖相環(huán)原理框圖

對于常用的數(shù)字鎖相環(huán),還可以通過數(shù)字鑒相器內(nèi)集成的分頻器對參考頻率f0進(jìn)行1/R的預(yù)分頻,同時(shí)對fout/N射頻信號再進(jìn)行M分頻,這樣得到的輸出頻率fout與參考頻率f0的關(guān)系：

因此,對于采用數(shù)字鑒相器的鎖相環(huán),通過單片機(jī)輸出控制字來改變鑒相器的分頻系數(shù)M,就能達(dá)到改變輸出頻率的作用,即實(shí)現(xiàn)跳頻的功能。

在VCO、鑒相器及分頻器選定之后,為了獲得穩(wěn)定的VCO調(diào)諧電壓,需要進(jìn)行環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)。由于環(huán)路濾波器能夠起到維持環(huán)路穩(wěn)定性、控制環(huán)路帶內(nèi)外噪聲、防止VCO調(diào)諧電壓突變和抑制參考信號雜散干擾等重要作用,因此環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)設(shè)計(jì)與調(diào)試的關(guān)鍵。

常用的三階有源環(huán)路濾波器,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過在三階無源環(huán)路濾波器的基礎(chǔ)上,加入一個(gè)起到正向放大作用的運(yùn)算放大器而構(gòu)成,這樣就能夠解決鑒相器輸出電壓不足的問題。

圖3 三階有源環(huán)路濾波器

環(huán)路濾波器最重要的兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)為相位裕度（Φm）和環(huán)路帶寬（ωc）,前者跟環(huán)路的穩(wěn)定性有關(guān),通常選取在30°～60°之間,而后者則在環(huán)路性能上有更重要的作用。選擇小的環(huán)路帶寬能更好地抑制鑒相頻率泄露、減小調(diào)諧電壓紋波以及改善近端相位噪聲,環(huán)路帶寬通常設(shè)定在PLL模塊相位噪聲和VCO相位噪聲相等的頻率點(diǎn)上來優(yōu)化整個(gè)環(huán)路的相位噪聲［3］。環(huán)路帶寬內(nèi)相位噪聲的計(jì)算為

式中：Nfloor為鑒相器噪底；N為輸出頻率與鑒相頻率的比值；fd為鑒相頻率。目前常用的數(shù)字鑒相器,其歸一化噪底能達(dá)到-219 d Bc/Hz。

鎖相環(huán)路整體的仿真采用ADI公司的ADIsim PLL軟件,該軟件能夠根據(jù)用戶選擇的器件和輸入的指標(biāo)參數(shù)得出環(huán)路濾波器各個(gè)器件的數(shù)值及整體電路的仿真結(jié)果。由于電路結(jié)構(gòu)相同,本文只介紹一路鎖相環(huán)的仿真過程及結(jié)果。通過選擇環(huán)路帶寬（ωc）和相位裕度（Φm）,并優(yōu)化電容電阻參數(shù),得到仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 鎖相環(huán)相噪仿真結(jié)果

鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)中心頻率為10.4 GHz,環(huán)路帶寬和相位裕度分別為98 k Hz和56°。由圖4仿真結(jié)果可知,在10 k Hz處的相位噪聲為-85.4 dBc/ Hz。優(yōu)化后的電容電阻值如表1所示。

表1 三階有源環(huán)路濾波器電阻電容值

1.2 多通道開關(guān)濾波

由于該本振源是通過基波鎖相結(jié)合倍頻技術(shù)來產(chǎn)生所需的本振信號,而倍頻器輸出信號中除了二次倍頻信號外,還含有基波以及三次諧波等高次諧波成分。因此,為了保證輸出信號頻譜的諧波及雜散滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,在輸出本振信號前需要進(jìn)行濾波。同時(shí),由于設(shè)計(jì)頻帶寬,本振低端頻率的高次諧波和高端頻率的基波等雜散與本振信號存在頻譜重疊的情況,單個(gè)濾波器無法滿足整個(gè)寬帶本振源信號的濾波要求。因此,需要在VCO劃分頻段的基礎(chǔ)上,將倍頻后的本振頻率進(jìn)一步劃分為三個(gè)頻段,前兩個(gè)頻段由第一個(gè)寬帶VCO產(chǎn)生,第三個(gè)頻段由第二個(gè)寬帶VCO產(chǎn)生。

1.2.1 單刀三擲開關(guān)

開關(guān)濾波器組的研制是基于多通道濾波技術(shù),主要包括帶通濾波器和選擇開關(guān),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,射頻開關(guān)為單刀三擲（SP3T）的串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)PIN二極管開關(guān),串-并結(jié)構(gòu)能夠增大開關(guān)的隔離度［4］,其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。兩個(gè)二極管之間的距離為λg/4,λg為射頻信號波長。其工作原理：當(dāng)電壓偏置端加負(fù)電壓時(shí),二極管D1導(dǎo)通,D2截止,即開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)偏置電壓為正電時(shí),D1截止,D2導(dǎo)通,即開關(guān)截止。

圖5 串-并聯(lián)PIN二極管開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 平行耦合帶通濾波器

在開關(guān)選通后,帶通濾波器的性能好壞將直接影響信號頻譜的純度,因此帶通濾波器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。其中,平行耦合微帶帶通濾波器由于具有插損小、矩形系數(shù)好和體積小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在微波電路系統(tǒng)中。由于結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法相同,本文只介紹一路通道使用的帶通濾波器的設(shè)計(jì)和仿真過程。

根據(jù)平行耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法［5］,首先要從歸一化低通濾波原型著手,通過計(jì)算歸一化頻率,并根據(jù)選擇的低通原型和指標(biāo)要求確定濾波器的階數(shù)；然后查表得到各元件歸一化值,并計(jì)算耦合傳輸線的奇模、偶模特性阻抗,進(jìn)而通過耦合線傳輸線的特性阻抗求得線寬、線長和耦合寬度等建模所需參數(shù)；最后,在仿真軟件里建立模型,進(jìn)行仿真優(yōu)化。

本設(shè)計(jì)中的帶通濾波器,主要是為了濾除本通道內(nèi)頻率的基波、高次諧波分量以及低頻段的雜散成分。由于離本通帶最近的頻率成分是三次諧波f=27.9 GHz,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證此頻率點(diǎn)處至少有20 dB的抑制度。因此,求得歸一化頻率為

式中：fc為中心頻率；f為截止頻率；fU為頻率上邊帶；fL為頻率下邊帶。

選取的低通濾波原型為具有0.5 dB帶內(nèi)波紋的切比雪夫?yàn)V波器,通過查詢其衰減特性曲線可得,當(dāng)濾波器階數(shù)N=3時(shí),可以滿足f= 27.9 GHz處具有20 d B抑制度的要求。查表得相應(yīng)的元件歸一化值為g0=g4=1,g1=g3= 1.5 963,g2=1.0 967。

計(jì)算阻抗值前,首先需要求得歸一化帶寬BW=（fU-fL）/fc,然后根據(jù)式（4）、式（5）和式（6）分別計(jì)算奇偶模的特性阻抗值：

其中：

阻抗計(jì)算結(jié)果和對應(yīng)在εr=9.8,厚度為0.38 mm陶瓷基片上的耦合微帶線尺寸分別如表2和表3所示。

表2 耦合線奇偶模阻抗值

表3 平行耦合線模型初始尺寸

平行耦合帶通濾波器的HFSS仿真模型及仿真優(yōu)化結(jié)果分別如圖6和圖7所示。由仿真結(jié)果可知,在f=27.9 GHz處抑制度為23.7 dB,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 HFSS仿真模型

2 本振源測試結(jié)果及分析

寬帶微波本振源盒體采用了鋁合金材料,其外形尺寸為115 mm×105 mm×20 mm。為了達(dá)到更好的電磁兼容效果,倍頻放大和開關(guān)濾波兩部分電路用可伐盒體進(jìn)行封裝。該本振源所達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)：

a）輸出頻率：Ku～K波段；

圖7 HFSS仿真結(jié)果

b）頻率步進(jìn)：Δf=10 M Hz；

c）跳頻時(shí)間：t＜10 ms；

d）輸出功率：P＞10 d Bm；

e）雜散抑制度：ΔP＞55 d Bc；

f）相位噪聲：L＜-68 dBc/Hz@10 k Hz。

其中,典型相位噪聲測試曲線如圖8所示,頻譜儀測試RBW=1 k Hz,所以10 k Hz處測得的相位噪聲為-74.032 dBc/Hz。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種寬帶微波本振源的設(shè)計(jì)方法,通過采用基波鎖相環(huán)結(jié)合倍頻技術(shù)以及開關(guān)濾波技術(shù),研制成功了一種Ku～K波段的寬帶微波本振源。其性能指標(biāo)滿足使用要求,與同類產(chǎn)品相比較,該寬帶本振源具有體積小、重量輕和工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖8 相位噪聲測試結(jié)果

［1］何松柏,等譯.頻率合成原理與設(shè)計(jì)（第三版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社,2008.

［2］張厥盛,等.鎖相技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1994.

［3］劉奡.寬帶PLL環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)［D］.南京：東南大學(xué),2006.

［4］鄭新,等譯.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)（第二版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社,2006.

［5］陳黎,等.基于ADS的平行耦合帶通濾波器設(shè)計(jì)［J］.壓電與聲光,2012,34（3）：483-486.

Research and Design of Wideband Microwave Local Oscillator

JIANG Kai-chuang, HE Bo, SU Ping
（Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

A kind of design method of wideband microwave local oscillator（LO）operated from Ku band to K band is proposed in this paper.Firstly,the key technology of wideband microwave LOis studied and analyzed,including the technology of wideband frequency hopping phase locked loop（PLL）and multi-channel switched filters.Then,the design and simulation are taken placed in ADIsim PLL and HFSS.At last,the analysis and testing results are shown.

wideband frequency hopping；phase-locked loop；multi-channel filters

TN61

A

1671-0576（2014）01-0044-05

2013-03-18

蔣開創(chuàng)（1982-）,男,工程師；何 波（1989-）,男,在讀研究生；蘇 坪（1985-）,男,助工,均從事微波電路與系統(tǒng)的研究。